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半米长的碳纳米管有什么用?

2013-10-17 来源:科学松鼠会 已有1769人阅读

关键字:化学    化学物质   碳纳米管   

  清华大学魏飞教授领导的团队,最近制备出了创世界纪录的超过半米长的碳纳米管。这是碳纳米管研究朝应用的方向踏出的重要一步。

  碳原子在平面上排成六边形蜂巢状,就是石墨烯。石墨烯一层层叠起来,就是石墨。单层石墨烯卷成一根空心柱,就是碳纳米管。碳纳米管的直径是几纳米,人头发的直径是几十微米,意味着上万根纳米管才有一根头发粗。

  碳纳米管有很多应用,最重要的一个方向是在于制造“又强又韧又轻又便宜”的材料。天然材料中,蛛丝是最强的。而碳纳米管纤维韧性甚至能超过蛛丝。这样的材料在航空航天领域极其重要。碳纳米管刚被发现的时候,就因为它的机械强度和弹性模量超高,而质量超轻,于是受到广泛的关注。从单位质量上算的话,它的强度是钢铁的三百多倍。而且碳是一种很便宜的元素(当然,现在碳纳米管并不便宜,但是降低价格是有希望的)。因此,世界上有很多团队都参与研究,希望能用碳纳米管做出“又强又韧又轻又便宜”的超级纤维。

  这样的碳纳米管纤维,假如能做到宏观尺寸,在制造复合材料上,会比传统的碳纤维要好得多得多。碳纤维一般有几个微米粗,而且内部的化学结构是杂乱的,相比于只有几个纳米粗而且结构有序的碳纳米管,单位强度要差的多。这有什么用呢?举几个例子:过去几十年间,复合材料在飞机制造上广泛应用,替代了钢铁以及昂贵的钛合金,使得飞机更轻,更省油,更安全,寿命更长。如果有大量便宜的碳纳米管纤维应用于飞机制造,那么飞机的性能还能往前大大地再踏进一步。对航天器的制造来说,影响将更为巨大。航天器的载重就象是一个金字塔:如果有又强又轻的复合材料,航天器的重量就可以减轻,那么在高空的推进中就可以减少燃料,在低空的推进中就能减少运送燃料用的燃料(相当于整个金字塔瘦上一圈)。那么航天器的造价,安全性上都能有跨越性的进步。

  更进一步遥望未来,高质量的碳纳米管纤维可以帮助我们达成建造“天梯”的梦想,更快更省地发射航天器。现在航天器的最主要造价,都在于运送燃料的燃料(上面说的金字塔的底部)。如果能建造一个几百公里高的高塔甚至于一个到达35800公里处地球静止轨道的“天梯”,把航天器先送到顶端然后再发射,那么就能极大地减少燃料的运用,降低发射航天器的费用并增加安全性。建这么高的塔,需要又强又轻的非传统建筑材料,这样这个塔才不会被自重压垮。有人做过理论计算,证明又强又轻的碳纳米管可以帮我们实现这个梦想。

  以上这些,都是在碳纳米管很贵的前提下就可以做的事情。如果碳纳米管可以降到大白菜的价,哪怕降到钛合金的价,那么从自行车到球拍到眼镜架,都可以明显减重增效。富勒烯的发现者已经拿了1996年的诺贝尔化学奖,石墨烯的研究者也拿了2010年的诺贝尔物理奖。如果碳纳米管的制备实现突破,那么做出主要贡献的人,我认为是可以再得诺贝尔奖的。至不济,拿赚来的钱,也可以自己再创建个诺贝尔奖。

  那么生产高质量的碳纳米管的主要难点在什么地方?一个是结构的控制(包括长度、直径等),一个是准工业化生产。现在一般的碳纳米管只有几纳米宽几微米长。我们想象一下:如果把一个直径一米的球放大到地球那么大,那么在这个放大的“地球”上,一纳米就相当于一厘米,一根碳纳米管也就是几厘米宽几十米长的管子。这么小这么短的管子,如果仅仅是杂乱无章的分散在复合材料中,很难发挥其出色的性能。如果要象钢缆一样,把无数根碳纳米管拧成一根紧密的“绳”,那么首先这些碳纳米管需要有足够的长度。要想长得长,那么生长碳纳米管用的催化剂,要活性特别高,而且能坚持特别久。

  这就是魏飞教授的团队解决的主要问题,他们找到了有效的方法来延长催化剂的寿命,从而能长出世界纪录的长度(半米以上)。另外,如果只是在实验室里面,用超精密的方法,长出一两根碳纳米管,那也没什么用。魏飞教授的团队在准工业化生产碳纳米管上,一直都是国际一流的。所以他们能够得到足够量的超长碳纳米管来为下一步研究做准备,而且他们的生长方法从一开始就是为准工业化生产设计的。

  接下来要想把碳纳米管做成高质量的纤维,难在什么地方?一个是纺织技术,一个是不间断的连续生长。想象一下,站在直径一米的“地球”外面,想把这个“地球”上的几千亿根几厘米粗的管子纺织成紧密拧合的一束相当于几十公里粗的线(也就是现实中的几毫米粗),用传统的纺织技术是行不通的。纺织方法的好坏在很大程度上决定了绳子的强度,而方法上最大的难点是因为碳纳米管太细太短,很难有效操控。现在的做法有气相沉积,有聚合物熔融,有静电纺织……说起来也没有那么难,但是方法上还需要改进。更重要的问题在于连续生长。每次长半米长,然后降低炉温才能收取产品的话,成本太高,效率太低,不现实。如果能够进一步提高催化剂的活性,把碳纳米管长到几十米甚至几公里的话(这里有可观的技术难度,但应该是可以实现的),就可以大大提高效率了,纺织的难度也会大大降低。当然,实现这些科学上的难点只是第一步,要实现工业化生产,还有更长的路要走。

  除了做又硬又轻的材料,碳纳米管还有独特的结构和导电性,可以用来做纳米尺度的电子器件,会比传统的电子器件更小更灵敏更便宜。但是一般的碳纳米管长度不一,有很多种不同的结构类型,其导电性也不相同,所以很难用来规模化生产性能一致的器件。有了超长的碳纳米管,每一根就可以制备出成千上百万个结构和性能一模一样的器件。所以,超长碳纳米管对这个领域来说,也是一个巨大的突破。进一步的提高,也是可以期待的。

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