中國製出世界最長碳納米管 將為太空天梯開啓一線曙光

近日，清華大學魏飛教授帶領的的團隊製備出了世界上最長的碳納米管，其單根長度可以達到半米以上。由於碳納米管自身重量極輕，卻擁有高出鋼鐵數百倍的拉伸強度，被認為是製造“太空天梯”的理想材料。

魏飛教授説，他們團隊的目標是製備出公里級以上長度的碳納米管，為太空“天梯”的製造開啓一線曙光。

 魏飛團隊製造出長度達到半米的碳納米管

創造納米材料新紀錄

近日，在北京市科委支持下，清華大學化工系魏飛教授與清華大學微納米力學中心的張瑩瑩副研究員合作帶領的團隊成功製備出單根長度達半米以上的碳納米管，創造了新世界紀錄，這也是目前所有一維納米材料長度的最高值。

6月27日，國際著名期刊《美國化學會納米》（ACS Nano）發表了一篇題為《基於Schulz-Flory分佈的半米長碳納米管制備》（Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz-Flory Distribution）的論文，對這一成果進行了介紹。文章第一作者為清華化工系博士生張如範，共同通訊作者為魏飛教授和張瑩瑩副研究員。

據該論文介紹，魏飛教授團隊充分發揮材料製備和化工技術學科交叉的優勢，在製造設備、製備工藝方面進行大量改進和創新，首次將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5％以上，最終成功製備出單根長度超過半米的碳納米管。

太空天梯的理想材料

碳納米管結構示意圖

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而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠大於其直徑。

1991年，日本NEC公司基礎研究實驗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石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了這一特別的分子結構。

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。 作為人類發現的力學性能最好的材料，碳納米管有着極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率。例如，碳納米管的單位質量上的拉伸強度是鋼鐵的276倍，遠遠超過其他任何材料。

《科學美國人》雜誌曾提出一種誘人的夢想：利用碳納米管制作一根太空天梯，可以使人類沿着天梯直接從地球通往太空。

雖然與人類現有的太空項目看上去非常不同，但“太空電梯”並非一個遙不可及的幻想。弗吉尼亞州費爾蒙特科學研究所的布拉德·愛德華茲博士指出，“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，費用並不算太大。更重要的是，太空升降艙上天不需要攜帶大量燃料，預計所耗能量不過為宇宙飛船發射的1%。英國的一項測算顯示，用太空升降艙運送一個人和行李的費用僅相當於常用航天飛機運送費用的0.25%

2005年3月23日，美國宇航局正式宣佈太空天梯已成為世紀挑戰的首選項目。

將挑戰公里級長度

實現“太空電梯”夢想的前提是批量製備出具有宏觀長度並且具有理論力學性質的碳納米管，其單根長度需要達到米級甚至公里級以上。

自從1991年碳納米管被正式報道以來，為了提高其長度，全世界的碳納米管研究者進行了大量艱辛的探索。然而一直到2009年，碳納米管的最大長度只有18.5釐米，這種有限的長度極大地限制了碳納米管的實際應用。

魏飛教授帶領其研究團隊在超長碳納米管的製備方面開展了深入的研究工作。他們發現超長碳納米管在本質上可以當作一種一維線性高分子，其生長狀況可以用高分子領域的Schulz-Flory分佈機理來描述。在Schulz-Flory機理的描述下，碳納米管的催化劑活性概率起到了最關鍵的作用。

對於碳納米管的生長而言，在其生長過程中催化劑失活從而使其停止生長是一個不可逆轉的規律，從而造成了超長碳納米管很難達到很長的長度，並且也使其單位寬度上的生長密度急劇下降。要想提高了碳納米管的長度，唯一的途徑就是儘可能地提高其催化劑活性概率。

該研究團隊在超長碳納米管制備的工藝條件方面做了很多改進和創新，將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5%以上，從而成功製備出單根長度達到半米以上的碳納米管，在超長碳納米管的製備方面創造了一個新的世界紀錄。

“我們所製備的碳納米管具有完美的結構、優異的力學性能和宏觀的長度”，魏飛教授談到，“目前我們正在從事一米以上碳納米管的製備，下一步我們希望能夠製備出公里級以上長度並具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空天梯的製備開啓一線曙光。”