邹名之 投稿

量子位 | 公众号 QbitAI

还记得《三体》第一部中，关于“古筝筹划”的这段形貌吗？

这艘巨轮像一叠被向前推开的扑克牌，这四十多个巨大的薄片滑动时相互摩擦，发出一阵锋利的怪音，像无数只巨指在划玻璃。

在这令人无法忍受的声音消散后，“审判日”号已经化做一堆岸上的薄片，越靠上前冲得越远，像从一个绊倒的服务生手中向前倾倒的一摞盘子。

那些薄片看上去像布片般柔软，很快变形，形成了一堆复杂的形状，让人无法想象它曾是一艘巨轮。

造成这般惊人情形的，正是“古筝筹划”中对于一种名叫“飞刃”纳米质料的应用。

大刘以形象的比喻，描画了“飞刃”的强度：

头发丝非常之一粗细的高强度纳米丝削铁如泥、分割船体，如同切豆腐一样擦过每一个海员的身材。

固然是科幻小说，但大刘笔下的“飞刃”，确实有实际依据可考——

作为现在强度最高的质料之一，碳纳米管正是大刘笔下“飞刃”的雏形。

那么，实际中的这种质料毕竟盼望怎样？未来又能应用于什么地方？

一起来看看。

纳米质料强度为何这么高？

大刘开始写《三体》的时间，正是纳米质料研究风头正盛之时。

“纳米”这个词一时间成为了科技报道中的常客，乃至一度成为高科技的代名词。

纳米本意是一个长度单位，即10-9米，纳米标准通常是指1-100纳米，这是一个非常小的标准。

一样寻常来说，分子中两个原子的间距一样寻常仅为0.1-0.3纳米，所谓纳米标准，实在就是数十个原子分列的长度。

说到这，读者大概会有疑问：那纳米质料不就是特殊小、特殊细的质料吗，有什么特殊的呢？

重点在于大部门质料在缩小到纳米标准时，都会产生纳米尺寸效应，比方一些金属会变成半导体、乃至绝缘体，而一些不生动的物质会变得非常生动。

它们的原子分列布局发生了剧烈的变革，导致它们的性子也出现了差别。

举一个简朴的例子，我们寻常利用的铅笔之以是能在纸上留下陈迹，是由于它质地很软，石墨笔尖与纸张发生摩擦时，一些石墨片层发生了滑移，留在了纸上，以是我们能看到玄色的陈迹。

假如我们用同样由碳原子构成的钻石在纸上滑动，除了划破纸张，啥也不会留下。

钻石和石墨都是由碳原子构成，但是它们内部的原子分列布局存在巨大差别，以是它们一硬一软，一个绝缘，一个导电，性子差别巨大。

假如我们将石墨块削薄，减薄至单一原子层，进入到纳米标准，就得到了石墨烯。

石墨烯和石墨的性子差别巨大，它是一种强度非常高的质料，理论上让一头大象站在一只笔尖上、再将笔尖扎在一张完善无缺陷的石墨烯薄膜上，薄膜都不会破碎。

而将石墨烯像卷纸一样卷成直径仅为多少纳米的、无缝闭合的中空管状布局，就得到了碳纳米管。

1991年，日本科学家Iijima在电弧放电实行中，偶然发现了这种一维布局的质料。[1]

碳纳米管由碳碳键毗连而成，这是最强的化学键之一，其强度远高于金属之中的金属键。

要使得碳纳米管断裂，就必要粉碎碳原子之间的化学键，这意味着碳纳米管可以蒙受很大的应力，具有很高的力学强度。

早期的理论盘算研究表明碳纳米管的弹性模量高达5.5Tpa，是钢的25倍。[2]

1996年，Treacy等研究职员在电子显微镜下，通过丈量多壁碳纳米管与时间相干的热振动振幅，测得多壁碳纳米管的匀称杨氏模量为1.8TPa。[3]

固然碳纳米管理论强度很高，但要实现这种质料的真正应用，另有一段很长的路要走。

《三体》背后的清华科研项目

《三体》电视剧中，汪淼传授背后先容飞刃质料的PPT，形貌的正是清华大学魏飞老师课题组合成超长碳纳米管的相干内容。[4]

（Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161. DOI: 10.1021/nn401995z）

现在，碳纳米管重要通过电弧放电法和化学气相沉积法合成：

即通过放电大概高温裂解芳香烃（苯）、脂肪烃（甲烷、乙烯）、醇类（乙醇、甲醇）大概它们的肴杂物，产生碳碎片，这些碳碎片会在催化剂（常见的催化剂是铁等金属纳米颗粒）上生长形成一维布局的碳纳米管。

固然这些方法都能实现碳纳米管的连续制备，但产量非常有限，正如汪传授所言，无法量产。

实际中，量产高质量的长碳纳米管是仍旧是亟待办理的庞大困难。

纳米标准的碳纳米管合成后，还需通过纺丝、致密化处置惩罚等多个步调才气得到碳纳米管纤维，碳纳米管纤维才是一种能真正应用的宏观质料。

现在实际生产的大多数碳纳米管纤维强度仅为5-6GPa，与理论强度相距甚远。

这是由于纤维中并不是每一根碳纳米管都是完善无缺陷的，缺陷的存在使适当纤维受力时，碳纳米管极易在缺陷处断裂，从而低落团体强度。

2018年，魏飞老师课题组合成了厘米级的无缺陷碳纳米管管束，力学强度高达80GPa，实现了庞大突破。[5]

相干范畴的研究职员们仍在不懈积极，朝着高强度碳纳米管纤维真正大规模生产应用的方向迈进。

太空电梯和碳基芯片都能用

谈及碳纳米管的用途，很多人的第一反应就是太空电梯，即用于建立毗连太空电梯顶端空间站与地球的缆索布局。

为了使空间站位于地球的同步轨道上，缆索必须绷直，因此该布局必要蒙受巨大的拉力。

现在碳纳米管无论是强度还是产量，都远远达不到这个要求，更不消说运载过程带来的质料磨损和氧化标题（碳纳米管在高温且具有氧气的环境下是不稳固的），这仍将是人类优美的假想。

但这并不意味着碳纳米管是无用的。

作为一种轻质高强，导电导热性能优秀的质料，它在武器装备制造（好比防弹衣）、特殊功能质料、电池（用作导电添加剂）等多个范畴都具有告急的应用远景。

半导体型的碳纳米管另有望用于制造碳基芯片，它具有极高的载流子迁徙率，可以通过自下而上的方式构筑集成电路，代替硅质料，办理硅基质料受摩尔定律限定的困难。

从2000年至今，北京大学彭练矛院士不绝服从在国产碳基芯片研究一线。

2020年，他领导团队初次制备出性能靠近理论极限，栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管，实现了该范畴的庞大突破，有望突破中国芯片财产链面临着被“卡脖子”的状态。[6]

新一代的碳基芯片具有更优秀的性能，在包罗数字电路、射频/模仿电路、传感器件、光电器件在内的多个应用范畴都具备革命性的应用远景。

参考文献：

[1] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature, 1991, 354(6348): 56.

[2] Qu L, Dai L, Stone M, et al. Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off[J]. Science, 2008, 322(5899): 238.

[3] Treacy M M J, Ebbesen T W, Gibson J M. Exceptionally high young’s modulus observed for individual carbon nanotubes[J]. Nature, 1996, 381(6584): 678.

[4] Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161.

[5] Bai Y, Zhang R, Ye X, et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa[J]. Nature nanotechnology, 2018, 13(7): 589-595.

[6] Liu L, Han J, Xu L, et al. Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics[J]. Science, 2020, 368(6493): 850-856.

图片来自三体电视剧和流浪地球2截图