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近日，清華大學(xué)魏飛教授帶領(lǐng)的的團隊制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。由于碳納米管自身重量極輕，卻擁有高出鋼鐵數(shù)百倍的拉伸強度，被認(rèn)為是制造“太空天梯”的理想材料。

魏飛教授說，他們團隊的目標(biāo)是制備出公里級以上長度的碳納米管，為太空“天梯”的制造開啟一線曙光。

 魏飛團隊制造出長度達到半米的碳納米管

創(chuàng)造納米材料新紀(jì)錄

近日，在北京市科委支持下，清華大學(xué)化工系魏飛教授與清華大學(xué)微納米力學(xué)中心的張瑩瑩副研究員合作帶領(lǐng)的團隊成功制備出單根長度達半米以上的碳納米管，創(chuàng)造了新世界紀(jì)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(xué)會納米》（ACS Nano）發(fā)表了一篇題為《基于Schulz-Flory分布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范，共同通訊作者為魏飛教授和張瑩瑩副研究員。

據(jù)該論文介紹，魏飛教授團隊充分發(fā)揮材料制備和化工技術(shù)學(xué)科交叉的優(yōu)勢，在制造設(shè)備、制備工藝方面進行大量改進和創(chuàng)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，最終成功制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(jié)構(gòu)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(gòu)而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠大于其直徑。

1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)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(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了這一特別的分子結(jié)構(gòu)。

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。 作為人類發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好的材料，碳納米管有著極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率。例如，碳納米管的單位質(zhì)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(xué)美國人》雜志曾提出一種誘人的夢想：利用碳納米管制作一根太空天梯，可以使人類沿著天梯直接從地球通往太空。

雖然與人類現(xiàn)有的太空項目看上去非常不同，但“太空電梯”并非一個遙不可及的幻想。弗吉尼亞州費爾蒙特科學(xué)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，費用并不算太大。更重要的是，太空升降艙上天不需要攜帶大量燃料，預(yù)計所耗能量不過為宇宙飛船發(fā)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(dāng)于常用航天飛機運送費用的0.25%

2005年3月23日，美國宇航局正式宣布太空天梯已成為世紀(jì)挑戰(zhàn)的首選項目。

將挑戰(zhàn)公里級長度

實現(xiàn)“太空電梯”夢想的前提是批量制備出具有宏觀長度并且具有理論力學(xué)性質(zhì)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厘米，這種有限的長度極大地限制了碳納米管的實際應(yīng)用。

魏飛教授帶領(lǐng)其研究團隊在超長碳納米管的制備方面開展了深入的研究工作。他們發(fā)現(xiàn)超長碳納米管在本質(zhì)上可以當(dāng)作一種一維線性高分子，其生長狀況可以用高分子領(lǐng)域的Schulz-Flory分布機理來描述。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(guān)鍵的作用。

對于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(zhuǎn)的規(guī)律，從而造成了超長碳納米管很難達到很長的長度，并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，唯一的途徑就是盡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(chuàng)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，從而成功制備出單根長度達到半米以上的碳納米管，在超長碳納米管的制備方面創(chuàng)造了一個新的世界紀(jì)錄。

“我們所制備的碳納米管具有完美的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)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制備，下一步我們希望能夠制備出公里級以上長度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空天梯的制備開啟一線曙光。”