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近日，清華大學(xué)魏飛教授帶領(lǐng)的的團(tuán)隊(duì)制備出了世界上最長(zhǎng)的碳納米管，其單根長(zhǎng)度可以達(dá)到半米以上。由于碳納米管自身重量極輕，卻擁有高出鋼鐵數(shù)百倍的拉伸強(qiáng)度，被認(rèn)為是制造“太空天梯”的理想材料。

魏飛教授說(shuō)，他們團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是制備出公里級(jí)以上長(zhǎng)度的碳納米管，為太空“天梯”的制造開(kāi)啟一線曙光。

 魏飛團(tuán)隊(duì)制造出長(zhǎng)度達(dá)到半米的碳納米管

創(chuàng)造納米材料新紀(jì)錄

近日，在北京市科委支持下，清華大學(xué)化工系魏飛教授與清華大學(xué)微納米力學(xué)中心的張瑩瑩副研究員合作帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新世界紀(jì)錄，這也是目前所有一維納米材料長(zhǎng)度的最高值。

6月27日，國(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）發(fā)表了一篇題為《基于Schulz-Flory分布的半米長(zhǎng)碳納米管制備》（Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz-Flory Distribution）的論文，對(duì)這一成果進(jìn)行了介紹。文章第一作者為清華化工系博士生張如范，共同通訊作者為魏飛教授和張瑩瑩副研究員。

據(jù)該論文介紹，魏飛教授團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮材料制備和化工技術(shù)學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，在制造設(shè)備、制備工藝方面進(jìn)行大量改進(jìn)和創(chuàng)新，首次將生長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5％以上，最終成功制備出單根長(zhǎng)度超過(guò)半米的碳納米管。

太空天梯的理想材料

碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖

碳納米管是由石墨分子單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個(gè)納米之間，長(zhǎng)度則遠(yuǎn)大于其直徑。

1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了這一特別的分子結(jié)構(gòu)。

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。 作為人類發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料，碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂伸長(zhǎng)率。例如，碳納米管的單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度是鋼鐵的276倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他任何材料。

《科學(xué)美國(guó)人》雜志曾提出一種誘人的夢(mèng)想：利用碳納米管制作一根太空天梯，可以使人類沿著天梯直接從地球通往太空。

雖然與人類現(xiàn)有的太空項(xiàng)目看上去非常不同，但“太空電梯”并非一個(gè)遙不可及的幻想。弗吉尼亞州費(fèi)爾蒙特科學(xué)研究所的布拉德·愛(ài)德華茲博士指出，“太空天梯”的成本大約為70億~100億美元，與人類其他大型太空工程相比，費(fèi)用并不算太大。更重要的是，太空升降艙上天不需要攜帶大量燃料，預(yù)計(jì)所耗能量不過(guò)為宇宙飛船發(fā)射的1%。英國(guó)的一項(xiàng)測(cè)算顯示，用太空升降艙運(yùn)送一個(gè)人和行李的費(fèi)用僅相當(dāng)于常用航天飛機(jī)運(yùn)送費(fèi)用的0.25%

2005年3月23日，美國(guó)宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項(xiàng)目。

將挑戰(zhàn)公里級(jí)長(zhǎng)度

實(shí)現(xiàn)“太空電梯”夢(mèng)想的前提是批量制備出具有宏觀長(zhǎng)度并且具有理論力學(xué)性質(zhì)的碳納米管，其單根長(zhǎng)度需要達(dá)到米級(jí)甚至公里級(jí)以上。

自從1991年碳納米管被正式報(bào)道以來(lái)，為了提高其長(zhǎng)度，全世界的碳納米管研究者進(jìn)行了大量艱辛的探索。然而一直到2009年，碳納米管的最大長(zhǎng)度只有18.5厘米，這種有限的長(zhǎng)度極大地限制了碳納米管的實(shí)際應(yīng)用。

魏飛教授帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)在超長(zhǎng)碳納米管的制備方面開(kāi)展了深入的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)超長(zhǎng)碳納米管在本質(zhì)上可以當(dāng)作一種一維線性高分子，其生長(zhǎng)狀況可以用高分子領(lǐng)域的Schulz-Flory分布機(jī)理來(lái)描述。在Schulz-Flory機(jī)理的描述下，碳納米管的催化劑活性概率起到了最關(guān)鍵的作用。

對(duì)于碳納米管的生長(zhǎng)而言，在其生長(zhǎng)過(guò)程中催化劑失活從而使其停止生長(zhǎng)是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的規(guī)律，從而造成了超長(zhǎng)碳納米管很難達(dá)到很長(zhǎng)的長(zhǎng)度，并且也使其單位寬度上的生長(zhǎng)密度急劇下降。要想提高了碳納米管的長(zhǎng)度，唯一的途徑就是盡可能地提高其催化劑活性概率。

該研究團(tuán)隊(duì)在超長(zhǎng)碳納米管制備的工藝條件方面做了很多改進(jìn)和創(chuàng)新，將生長(zhǎng)每毫米長(zhǎng)度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5%以上，從而成功制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米以上的碳納米管，在超長(zhǎng)碳納米管的制備方面創(chuàng)造了一個(gè)新的世界紀(jì)錄。

“我們所制備的碳納米管具有完美的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能和宏觀的長(zhǎng)度”，魏飛教授談到，“目前我們正在從事一米以上碳納米管的制備，下一步我們希望能夠制備出公里級(jí)以上長(zhǎng)度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空天梯的制備開(kāi)啟一線曙光。”