碳纳米管，架起通往太空的天梯

本文来自微信公众号：CC讲坛（ID：ccjt2014），作者：魏飞（清华大学化学工程系教授、博士生导师、教育部“长江学者”特聘教授），题图来自：游戏《光环》

对材料极致性能的追求一直是人类社会发展的重要推动力之一。材料的力学强度是材料众多性能中被人类极为看重的一种性能。

魏飞教授带领团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，创造了世界纪录。

此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。

碳纳米管有许多神奇的力学、电学和化学性能，特别是它的抗拉强度是钢的一百倍，密度是其六分之一，这使得人们可以建造超长的梯子，架起一座通向太空的天梯。

大家下午好，我给大家分享的题目是架起通往太空的天梯。大家知道碳是一个非常普通和非常常见的材料，SP2碳有金刚石，是大家都喜欢的东西。但我要告诉大家，大家通常用的铅笔里面的石墨碳，它是比金刚石更结实的东西。可能很多人不信，但是事实上来讲，在过去30年的时间里面，随着纳米研究的深入，从刚开始的碳60到碳纳米管，再到石墨烯，其中已经有两个碳60和石墨烯研究是得了诺贝尔奖的，可以想像在纳米领域对于碳的重视。

我今天要讲的是碳纳米管，实际上是单层石墨烯卷起来的材料，这样卷的话有好几个卷法，这个卷法稍微有点不同就会带来金属性和半导体性。

在十多年前，美国克林顿政府提了一个纳米创新计划，在前言里面讲，你想象可以看到我们用一个普通的碳做一种材料，这个材料的强度是钢的一百倍，密度是钢的六分之一，这种材料能够大量生产的时候，对美国的国家安全、科技进步和人文是什么？

事实上来讲，大家就在做一个梦，就在说用这个东西搭一个通往太空的天梯，其他材料是做不到的，只要是用其他的材料做一根绳子长十四万公里，它自身的重量就会把它拉断了，只有碳纳米管可以。所以我在跟大家分享我们的梦是什么，我们能不能实现在这个梦。

由于这个原因，在过去的二十多年时间里面，碳纳米管的研究，无论从论文、专利和产量来讲，基本上是按照摩尔定律在增长，增长的非常非常的迅速，一年一万多篇文献。其实不光是科技界热闹，你仔细看一看世界上著名的大马士革军刀，这个刀非常锋利的原因是有这个结构，在体育器材、轮胎，在超强材料等等都做了广泛的应用。

最近还有一个比较广泛的应用是智能手机，大家知道现在智能手机都是用触摸屏，我们清华大学的范守善院士通过十几年的工作，把碳纳米管可以非常整齐的排列出来，然后拽成一个膜，这个膜做成手机触摸屏，在我们国家已经每年有两千万的产量，这是第一次碳纳米管在通用电子产品里面有了大规模的应用。

最近（美国）NASA准备做一个碳纳米管的火箭，预计明年发射，代替碳纤维，可以影响世界。还有一个很有意思的事情是NASA已经提了六七年时间了，就在谈一件事，你做一个头发丝直径的材料，长度20cm就够，你只要把这个材料的强度比现有的最好的材料，也就是碳纤维再提高一倍，（奖励）200万美元，到现在为止谁也没有拿到过，我们有没有可能做成这件事，理论上来讲应该是可以的。

在过去的很多年时间里面，我们总在做一些工作，从原子的自组装开始把它装得很精密，然后控制它的聚集体，控制它反应的核心过程，控制整个的生产，最后把它服务于社会。在整个这个环境中，不仅要利用它的好处，也不能有它的坏处，这是一个核心的想法。

在过去的十四五年时间里，我们做了大量的工作，主要是想办法规模化地应用这种材料，实际上来讲，我们现在用我们的技术建起了世界上最大的碳纳米管生产厂，咱们国家生产的锂离子电池里面80%都用了我们的材料。

今天我不讲这事，今天还是讲我们的梦想，这个梦想是什么呢？

就是我们能不能够通过纳米技术，把这样一个碳纳米管的生长的精度控制在亚纳米级，长度上来讲，想办法做到米级长度，原子排列完全是完美的，这样的条件下很可能它会有一些独特的性质。

这样生长的时候其实挺简单的，第一个就是它的催化剂，其实就是我们普通用的铁，你把它做成纳米级，催化剂多大，它就长多粗，我们照着一两个纳米去，就是头发丝的万分之一的水平。我们想办法用碳源，这个碳源其实就是天然气。然后再在1000℃的条件下生长，有两个基本的生长模式，一个是顶部生长，一个是底部生长，长短的时候没有什么区别，但是长长了是不一样的，有什么不一样呢？长长了的时候，这里面有气流和各种作用力，这样作用的时候，所有碳纳米管的作用力最后都集中在这个点上，这样的话永远都是带缺陷的。

所以全世界的人做了二十年的工作都会发现，我可以长得挺长的，但是没有强度，没有性能。有没有本事长得很长，又有很好的性能呢？这是我关心的，只有做好了性能之后，我们才可能做成一个通往太空的天梯，这个天梯真正是有强度的。

我们在过去的十多年时间里做了大量的工作，就是怎么样想办法长，我们首先发现其实加点水进去就可以长得很快，大约是每秒80um，也就是说每秒长人的一根头发丝的距离，大家不要认为这个小，你算算跟你的头发生长的速度相比的话，高出去一万倍的样子，跟工业生长的一些东西相比的话，可以高出一百万倍。

这是一个相当快的速度，而且它还可以很稳定，但是我们会发现你要想长长，永远是短的多，长的少，然后就在想有什么本事控制住这件事儿，我们仔细研究会发现有的时间长的长，有的时间长的短。

这里面到底是什么在控制？

实际上你想一下就知道了，就是铁颗粒在这个地方，碳是原子一个一个垒上去，垒上去只有两个状态，要么就是这个碳上去以后接着长，要么就是这个碳上去以后就死了，不长了。

如果我们认为这两个状态在整个生长过程中都是不变的，那么就只有一个因素控制着它，也就是碳的生长因子，它的生长因子越高活性越好，我们仔细看会发现，这条线就是生长因子线，如果你的生长因子比较高，你马上就能长的很长，能长多长呢？我们仔细看生长因子由很多东西控制，主要是温度、浓度、流速等等因素都会影响它，你要能控制在最好的点上，我们就用这样一个移动的炉子，它在1000℃的条件下长，只要温度在生长得过程中不超过1℃的误差。其他的指标控制好了，你会发现可以长的很长，至少长到半米长没有问题，我们现在可以长到700mm的样子。

长的时候都符合这样一个分布的关系，长到这样一个长度是什么概念呢？就是要长三百亿的碳原子只能有一个碳原子在捣乱失活了，你才能长这么长。这是一个非常艰难的控制过程，幸好我们有比较出色的学生，非常认真地工作，在原子级的条件下，看见了这个规律。

然后你会发现它不仅超长，而且是没有缺陷的，测量的结果大家会注意到，其实它的强度可以做到理论强度，因为我们所有一般的钢材它的强度很难到1个GPA，我们这个可以达到100GPA。

在这之前全世界的人很多时候也做过这个测量，都发现在微米级的长度下可以到30个GPA的样子，我们这样长出来的管子，就能做到100个GPA。不仅是这样，它是不是结构完美呢？我们的学生又做了一个非常仔细的工作。长了一个100cm长得碳纳米管，把它掰成了几块，看一看这一根碳纳米管是什么样子，大家可以看到这个碳纳米管是个三壁的，打个电子衍射可以确定它的结构。我们做了50mm以后，再取出另一块看看，打个电子衍射出来，我们打了好几个，50mm是什么概念呢，大概长50亿个碳原子，我们发现其实它都是一个非常完美的碳纳米管的结构，它的螺旋角是不变的，这个里面都是六元环，没有一个缺陷。

大家开玩笑说，你要做到这件事儿的话，至少是13亿人里边没有一个坏人，做到这个就实现了。

实现了又怎么样？

如果我们把这个管划一个缝，这个缝是毫米级长度，我们想办法在缝上面熏上一些二氧化碳，大家可以看到这个二氧化碳是个微米级的，这是咱们的白颜色，这是这根碳纳米管，这样的话用肉眼就能看见这根纳米级的碳纳米管，实际上强度也很高。

这样的话我们就可以把各种各样的碳纳米管，纳米级的玩意用肉眼就可以看到了，不光是这样，这个碳纳米管可以随着音乐跳舞，不仅能跳舞，我们发现其实它可以随动的条件下振动两亿次不断，可以很大的幅度像一个超级的弹簧，它不会坏，实际上挂的这个二氧化碳的重量是这根碳纳米管的两万倍的样子，根本不弯曲，只有吹气的时候它才会动。

这样的办法我们就可以测毫米级的长度上，碳纳米管的强度到底怎么样，我们发现还是100个GPA，17%的断裂伸长率。一般来讲钢3%就会全拉断了，我们可以17%，这是一个超级的橡皮筋，这个橡皮筋到什么程度，用它去做机械储能，它可以做到这样的级别，大家对这个级别没有印象，但是大家知道锂离子电池，它的储存的机械能的能量是锂离子电池的五倍。

这是什么概念呢？

就是你用手指头粗的碳纳米管绳子，把350公里时速的两公里长的高铁拉住，把它的能量全吸收回来，然后松开以后它会再弹出去。它有这么大的能力。大家可以注意到，这样能力的原因都是因为完美超长的结构所带来的。

这样的话我们有了这个材料，我们用这个材料去做天梯的时候，就比美国人设想的好，你可以看到，他们是30个GPA的强度，是微米级长度测量的，他们想做到的是1m宽，0.1个mm厚的带子，这样的话要20吨重，花一百亿美元，他希望快速的做出来，现在还不容易。其实我们发现，我们有120个GPA的强度，可以做到半米，这样3-6吨就行了。这样的情况下我们又往这个梦想前进了一步。

实际上还不止这些，最近拿着这样的材料去做实验还会有更大的发现。

在宏观尺度下大家知道永动机是不存在的，但是在微观情况下是存在的，比如咱们的气体分子运动，它永动了你根本就不用给它加能量，它不会耗散掉。

有没有办法让我们宏观上永动机可行呢？

这个看似不可想象，实际上来讲这件事在过去一些年里有了突飞猛进的进展，其中一种是大家可以注意到在两个固体的表面上，比如石墨，它有两个基本的模式：一个是如果材料相同排列也一样在滑动的时候，竟然有一个公度的关系，这个时候它的阻力会特别大，这也是我们的轴瓦从来不能用同一种材料来做，轴瓦和轴一般是分开的，但你要错个角，它就是非公度状态，主要是原子与原子之间的相互作用问题。

1990年的时候一个日本人就提出来，如果是非公度的固体表面，有可能它的摩擦力很小，但小到多少大家没数。

我们就去做了个实验有没有可能这样，让碳纳米管在里面滑，如果你能保证这两根管的螺旋角是不一样的是结构完美的管，它就有可能永远振动下去。我们在做实验的时候发现其实有时候就会出现，这样的话我们毫米级长度的管，砰一下就弹起来了，我们仔细做测量就发现可以拽出很长很长来，基本上没有作用力，小到什么程度呢？厘米级的长度拽出来，拽出十亿个碳原子出来只有一个纳牛，也就是一个共价键的力量都超过这个。它只是克服了石墨表面的力量，我们测得的摩擦力比现有所有的报道小四个数量级，大家想我是不是在厘米级长度上做到了只有克服表面的力量，虽然这和永动不永动没关系，但从这个角度讲给大家带来一个希望，将来我们有可能做成以前我们梦想实现的东西。

总的来讲大家会注意到，如果我们追求卓越，追求完美，把材料做到极致，那么我们可以实现我们的梦想。

本文来自微信公众号：CC讲坛（ID：ccjt2014），作者：魏飞（清华大学化学工程系教授、博士生导师、教育部“长江学者”特聘教授）