把石墨烯捲起來 “萬能”的碳納米管或改變未來

自碳納米管被發現30年來，我國研究水平基本上與世界先進水平並駕齊驅，並在部分領域處於世界領先。碳納米管導電劑一改我國鋰電池企業導電劑依賴進口的局面；碳納米管薄膜成功用於高端户外保暖服以及醫療康復等產業；基於半導體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅動器件也被開發出來……

近日，國內最大的碳納米管生產企業——江蘇天奈科技股份有限公司（以下簡稱天奈科技）發佈公告稱，預計2021年上半年實現淨利潤1.1億—1.5億元，同比增加235.41%—357.37%。業績高速增長歸功於該公司開發的碳納米管導電劑，一改我國鋰電池企業導電劑依賴進口的局面。

自被發現以來，碳納米管就在全球範圍內掀起一股研究熱潮。近年來，全球加速挖掘碳納米管技術落地的途徑，相關技術突破成果不斷。

一根長度米級、直徑納米級的管

作為最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演着舉足輕重的角色。1985年，“足球”結構的C60一經發現即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理學家飯島澄男在電弧法制備的碳材料中觀察到了碳納米管，從此開啓了碳納米管研究的熱潮。

“從結構上來説，碳納米管可以形象地看做是由單層或者多層石墨烯無縫捲曲而成的中空管狀結構。”中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱蘇州納米所）研究員李清文告訴科技日報記者。

碳納米管就像一根細長的頭髮絲，它的長度可以達到米級，而直徑卻可以小到納米尺度。這麼細長的納米管狀結構是怎麼製備出來的呢？

飯島澄男首次發現的碳納米管是通過電弧放電法制得的。現在，碳納米管已經發展出激光燒蝕法、化學氣相沉積法(CVD)、固相熱解法等多種製備方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易於規模化製備而被廣泛採用。

李清文介紹説，用CVD製備碳納米管時，碳原子在催化劑表面吸附、擴散、溶解並達到飽和後析出形成碳納米管。催化劑作為碳納米管成核生長的位點，對於碳納米管的直徑、壁數、手性起着決定性作用。催化劑結構設計以及生長條件調控是實現碳納米管可控生長的重要途徑。

作為納米碳材料家族的重要一員，碳納米管以其優異的力學、電學和熱學特性被譽為“萬能基材”，在結構功能一體化複合材料、電池電極、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領域具有巨大的應用前景。

1996年諾貝爾化學獎得主、富勒烯的發現者斯莫利認為，碳納米管是人們所能製造出來的最強、最剛、最硬的材料，同時也是最好的熱和電的導體。

“碳納米管強度是同體積鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6—1/7。”李清文解釋説，碳納米管的長徑比達106以上，因而又被稱作超級纖維。

碳納米管的奇特之處還在於其特殊的電學性質，根據其結構不同，碳納米管可展現出金屬性和半導體性，為開發新型電子器件奠定了基礎。

我國研究達到世界先進水平

碳納米管的研究至今已有30年，李清文認為，我國科學家在碳納米管方面的研究水平基本上與世界先進水平並駕齊驅，並在部分領域處於世界領先水平。

在碳納米管基礎研究方面，北京大學張錦團隊、李彥團隊在導電性可控碳納米管合成、單手性碳納米管合成與分離等方面做出了重要貢獻。北京大學彭練矛團隊在碳納米管電子器件方面取得了重大進展。在碳納米管應用方面，清華大學魏飛團隊在碳納米管宏量製備、高強碳納米管纖維、碳納米管導電添加劑等方面業績不菲。

作為我國納米材料研究的國家隊，蘇州納米所從2007年起，一直圍繞碳納米管可控制備和前沿應用開展研究工作，發表高水平論文300餘篇，在電子級單壁碳納米管分離、碳納米管纖維與薄膜的規模製備、碳納米管複合材料以及能源器件應用方面取得多項重大成果。

2013年，以平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小“計算機”誕生。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸一次次被突破。

如何獲得高純度、高質量的半導體型單壁碳納米管是實現電子級應用的前提。

李清文告訴記者，她帶領的團隊於2018年實現了純度大於99.99%的半導體型單壁碳納米管的高濃度分離，以及部分單手性碳納米管的高效篩選。在此基礎上，他們與國內其他高校院所合作，共同實現了基於半導體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅動器件的開發。

被稱作超級纖維的碳納米管，製成纖維與薄膜後，與傳統高性能纖維和薄膜材料相比，具有優異的柔韌性、導電和導熱性能。

經過多年研究，目前李清文團隊已經實現了千米級連續碳納米管纖維連續製備，突破了萬平方米級碳納米管薄膜的幹法規模化製備技術。

同時，蘇州納米所科研人員採用高取向碳納米管薄膜開發了碳納米管含量高達60%以上的新型碳納米管複合材料，其強度為碳纖維複合材料的兩倍以上；開發了碳納米管薄膜的電熱固化複合材料新工藝，有望為複合材料在線修復、機翼除冰帶來新的設計策略。

碳納米管研究成果加速落地

被稱為“黑金”的碳納米管，曾被科學家預言，有望成為“徹底改變21世紀”的神奇材料之一。

作為目前中國碳納米管的龍頭企業，天奈科技成功開發了一種獨特的催化反應工藝，實現了碳納米管的連續化生產，生產能力可達千噸級。近兩年，天奈科技的碳納米管導電劑產品出貨量和銷售額均居行業首位，一改我國鋰電池企業導電劑依賴進口的局面。

鋰電池導電劑的利用，只是碳納米管產業化的冰山一角。

作為國家戰略新興材料，碳納米管材料在導電塑料、輕質高強複合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、衝擊防護、智能材料、電子器件等方面也具有廣泛的應用。其中基於碳納米管的加熱膜、導電塑料、複合材料等材料的市場前景也越來越好。

“我們在加強前沿探索的同時，積極開展碳納米管的應用研發，發展出輕量化碳納米管/金屬複合導線技術，以及衞星用輕質電纜。開發的碳納米管加熱保暖服裝已獲得多家國際品牌使用，成為冬奧會產品之一。”李清文説。基於該團隊的技術，蘇州捷迪納米科技有限公司實現了碳納米管薄膜的產業化，產能達10萬平方米/年，成功開拓了該產品在高端户外保暖服以及醫療康復等方面的應用。

“碳納米管作為一種新興材料，未來還可能拓展應用於導電塑料、半導體器件、輕質高強複合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、衝擊防護、智能器件等領域，並有望給這些領域帶來變革性的發展。”李清文説。