在《三體》中，「納米飛刃」削切硬物於無形體現了碳納米管一個重要特性——輕質高強。之所以這麼細的碳納米管能有如此高的強度，主要是碳納米管由碳碳鍵組成的六元環結構完美連接，要想破壞掉碳納米管，就必須讓碳碳鍵發生斷裂，這需要提供很高的能量才能實現。
◎本報記者 陳 曦
近日，由劉慈欣小說改編的電視劇《三體》收官，不過《三體》的熱度仍在延續。其中劇中有一種名為「納米飛刃」的納米材料，只有頭髮絲的十分之一粗細，肉眼看不見，但卻可以切割鋼鐵和各種硬物，無堅不摧。別看「納米飛刃」那麼神奇，其實它的原型就是大名鼎鼎的碳納米管。
製備完美碳納米管條件嚴格
被譽為「二十世紀最神奇的納米材料」之一的碳納米管是碳材料大家族中的一員。
「碳納米管就是管狀的納米級石墨晶體，分為單壁和多壁碳納米管。」天津大學材料科學與工程學院納米及複合材料研究所的沙軍威副教授解釋，碳原子以不同的排列方式形成各種材料，堆疊在一起就是石墨，剝離出來單層的二維材料就是石墨烯，而把石墨烯片層捲成管狀就是碳納米管。
「在《三體》中，『納米飛刃』削切硬物於無形體現了碳納米管一個重要特性——輕質高強。」沙軍威介紹，之所以這麼細的碳納米管能有如此高的強度，主要是碳納米管由碳碳鍵組成的六元環結構完美連接，要想破壞掉碳納米管，就必須讓碳碳鍵發生斷裂，這需要提供很高的能量才能實現。
正因如此，碳納米管有著極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率。碳納米管的理論強度可以達到鋼鐵的100倍，同時碳納米管的密度又非常低，只有鋼的1/6。
「因此從理論上講，『納米飛刃』是可以實現的。」沙軍威說，不過在現實中，要做出「納米飛刃」卻很難。
難度主要體現在哪些方面？以目前的工藝水平，很難製造出長程完美的原子排列結構。「納米飛刃」直徑只有一納米，但是長度確有上百米，別說100米，就算是只有1米，和直徑相比，兩者之間也相差了9個數量級。相當於一根1毫米粗的繩子要100萬米長。而且要保證繩子不斷，這就要求這100萬米沒有一個缺陷。
「目前在實驗室製備碳納米管使用的是化學氣相沉積法。如果要獲得完美的碳納米管，需要有非常穩定的氣流，不能有一點擾動，這也是非常難的。」沙軍威表示，碳納米管在生長過程中，如果氣體流量或氣流方向出現些許變化，或者實驗設備內的溫度稍有擾動，都可能引入缺陷，甚至導致其停止生長。目前的報導中世界上最長的碳納米管是由清華大學魏飛教授帶領的團隊製備出的，其單根長度可以達到半米以上。
天生具有「基因」優勢
除了輕質高強的特性外，碳納米管還具有許多電學和化學等方面的優勢性能，利用這些性能可以製作出很多性能優異的複合材料。
由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，因此碳納米管也具有和石墨烯一樣的良好導電性。「碳納米管的電阻和其長度、直徑無關，電子通過碳納米管時不會產生熱量加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號在光學纖維電纜中的傳輸一樣，能量損失微小，因此碳納米管具有優異的導電性能，是一種優異的導電添加劑。」沙軍威介紹，此外，碳納米管還可以應用於透明導電薄膜、納米導線、電子器件的製作。
碳納米管強度高卻不脆。彎曲碳納米管或在軸向對其施加壓力時，即使外力超過歐拉強度極限或彎曲強度極限，碳納米管也不會斷裂，而是首先發生大角度彎曲，當外力釋放後，碳納米管又會恢復原狀。同時，碳納米管化學性質穩定，具有耐酸性和耐鹼性。因此碳納米管又被作為複合材料增強體添加到金屬、塑料、橡膠、水泥等中。
沙軍威介紹：「用碳納米管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕，可屏蔽無線電波；使用水泥做基體的碳納米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響；碳納米管增強金屬複合材料強度高，可以實現很好的強度、韌性的匹配，綜合力學性能優異。」
碳納米管還具有良好的儲氫性能和優越的嵌鋰特性。「由於碳納米管本身具有高比表面積，再經過處理後具有優異的儲氫能力。」沙軍威介紹，此外，碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結構中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲空間和運輸通道。所以碳納米管也被用於儲氫材料以及電池電極材料(電池、超電容、新型鋰電池等)。
「我們團隊與美國萊斯大學詹姆斯·圖爾教授團隊合作，開發了液相催化劑法，實現了任意碳材料基體上碳納米管陣列的可控制備，並且在儲能材料領域實現了應用。」沙軍威說。
此外，利用碳納米管表面缺陷增強的反應活性，人們還可以把碳納米管應用於光催化、電催化領域。南京東焱氫能源科技有限公司與南京大學固體微結構物理國家重點實驗室合作的一項研究，為碳納米管作為催化劑載體提供了一種可行思路。他們對多壁碳納米管進行表面氧化並引入硼元素，之後將其作為載體，成功製備了擁有高活性的鉑基催化劑。
未來應用圍繞三大性能展開
碳納米管目前產業化應用最多的是作為鋰離子電池的正極導電添加劑。碳納米管和石墨烯導電添加劑相較於傳統導電劑具有導電性能好、用量小的特點。
目前碳納米管在這個行業的滲透率，也已經超過了20%。有業內人士統計，超過90%的中高端數碼鋰電池廠家已將碳納米管作為導電添加劑用於電池生產，比如比亞迪、比克電池等。
據專業機構預測，3年後碳納米管導電添加劑需求量將達到60萬噸，市場規模超過35億元，複合增長率超過40%。
「除了用於導電添加劑，未來碳納米管會在很多領域大有作為，不過其主要應用離不開它最重要的三大性能。」沙軍威介紹，首先就是輕質高強。像沙軍威所在團隊研發的碳納米管增強鋁基複合材料就可以應用在火箭等太空飛行器上。「對於製造太空飛行器的材料來說，最重要的就是輕質高強。鋁比目前應用於太空飛行器製造的鋼和鈦質量輕很多，但是硬度和強度不夠，加入了碳納米管，就可以實現輕質高強，發射成本會大幅下降。」沙軍威表示。
由於碳納米管具有良好的導電、導熱性能，因此還可以把它添加到塑料、紡織材料中，美國萊斯大學研究人員就使用交織的碳納米管纖維製作了一件可以作為心率監測器的襯衣。
此外，由於碳納米管具有表面缺陷增強的反應活性，使得其在催化領域的應用也方興未艾。「比如用碳納米管作為催化劑電解水制氫，把二氧化碳轉化為甲醇等有機物，都是目前研究的熱門。」沙軍威介紹。(科技日報) 【編輯:田博群】