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碳纳米管:《三体》中“纳米飞刃”的原型

来源:科技日报 1325 2023-03-03

  颗粒在线讯:近日,由刘慈欣小说改编的电视剧《三体》收官,不过《三体》的热度仍在延续。其中剧中有一种名为“纳米飞刃”的纳米材料,只有头发丝的十分之一粗细,肉眼看不见,但却可以切割钢铁和各种硬物,无坚不摧。别看“纳米飞刃”那么神奇,其实它的原型就是大名鼎鼎的碳纳米管。

  制备完美碳纳米管条件严格

  被誉为“二十世纪最神奇的纳米材料”之一的碳纳米管是碳材料大家族中的一员。

  “碳纳米管就是管状的纳米级石墨晶体,分为单壁和多壁碳纳米管。”天津大学材料科学与工程学院纳米及复合材料研究所的沙军威副教授解释,碳原子以不同的排列方式形成各种材料,堆叠在一起就是石墨,剥离出来单层的二维材料就是石墨烯,而把石墨烯片层卷成管状就是碳纳米管。

  “在《三体》中,‘纳米飞刃’削切硬物于无形体现了碳纳米管一个重要特性——轻质高强。”沙军威介绍,之所以这么细的碳纳米管能有如此高的强度,主要是碳纳米管由碳碳键组成的六元环结构完美连接,要想破坏掉碳纳米管,就必须让碳碳键发生断裂,这需要提供很高的能量才能实现。

  正因如此,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。碳纳米管的理论强度可以达到钢铁的100倍,同时碳纳米管的密度又非常低,只有钢的1/6。

  “因此从理论上讲,‘纳米飞刃’是可以实现的。”沙军威说,不过在现实中,要做出“纳米飞刃”却很难。

  难度主要体现在哪些方面?以目前的工艺水平,很难制造出长程完美的原子排列结构。“纳米飞刃”直径只有一纳米,但是长度确有上百米,别说100米,就算是只有1米,和直径相比,两者之间也相差了9个数量级。相当于一根1毫米粗的绳子要100万米长。而且要保证绳子不断,这就要求这100万米没有一个缺陷。

  “目前在实验室制备碳纳米管使用的是化学气相沉积法。如果要获得完美的碳纳米管,需要有非常稳定的气流,不能有一点扰动,这也是非常难的。”沙军威表示,碳纳米管在生长过程中,如果气体流量或气流方向出现些许变化,或者实验设备内的温度稍有扰动,都可能引入缺陷,甚至导致其停止生长。目前的报道中世界上最长的碳纳米管是由清华大学魏飞教授带领的团队制备出的,其单根长度可以达到半米以上。

  天生具有“基因”优势

  除了轻质高强的特性外,碳纳米管还具有许多电学和化学等方面的优势性能,利用这些性能可以制作出很多性能优异的复合材料。

  由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,因此碳纳米管也具有和石墨烯一样的良好导电性。“碳纳米管的电阻和其长度、直径无关,电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中的传输一样,能量损失微小,因此碳纳米管具有优异的导电性能,是一种优异的导电添加剂。”沙军威介绍,此外,碳纳米管还可以应用于透明导电薄膜、纳米导线、电子器件的制作。

  碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时,即使外力超过欧拉强度极限或弯曲强度极限,碳纳米管也不会断裂,而是首先发生大角度弯曲,当外力释放后,碳纳米管又会恢复原状。同时,碳纳米管化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性。因此碳纳米管又被作为复合材料增强体添加到金属、塑料、橡胶、水泥等中。

  沙军威介绍:“用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀,可屏蔽无线电波;使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高,不易对环境造成影响;碳纳米管增强金属复合材料强度高,可以实现很好的强度、韧性的匹配,综合力学性能优异。”

  碳纳米管还具有良好的储氢性能和优越的嵌锂特性。“由于碳纳米管本身具有高比表面积,再经过处理后具有优异的储氢能力。”沙军威介绍,此外,碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷,为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。所以碳纳米管也被用于储氢材料以及电池电极材料(电池、超电容、新型锂电池等)。

  “我们团队与美国莱斯大学詹姆斯·图尔教授团队合作,开发了液相催化剂法,实现了任意碳材料基体上碳纳米管阵列的可控制备,并且在储能材料领域实现了应用。”沙军威说。

  此外,利用碳纳米管表面缺陷增强的反应活性,人们还可以把碳纳米管应用于光催化、电催化领域。南京东焱氢能源科技有限公司与南京大学固体微结构物理国家重点实验室合作的一项研究,为碳纳米管作为催化剂载体提供了一种可行思路。他们对多壁碳纳米管进行表面氧化并引入硼元素,之后将其作为载体,成功制备了拥有高活性的铂基催化剂。

  未来应用围绕三大性能展开

  碳纳米管目前产业化应用最多的是作为锂离子电池的正极导电添加剂。碳纳米管和石墨烯导电添加剂相较于传统导电剂具有导电性能好、用量小的特点。

  目前碳纳米管在这个行业的渗透率,也已经超过了20%。有业内人士统计,超过90%的中高端数码锂电池厂家已将碳纳米管作为导电添加剂用于电池生产,比如比亚迪、比克电池等。

  据专业机构预测,3年后碳纳米管导电添加剂需求量将达到60万吨,市场规模超过35亿元,复合增长率超过40%。

  “除了用于导电添加剂,未来碳纳米管会在很多领域大有作为,不过其主要应用离不开它最重要的三大性能。”沙军威介绍,首先就是轻质高强。像沙军威所在团队研发的碳纳米管增强铝基复合材料就可以应用在火箭等航天器上。“对于制造航天器的材料来说,最重要的就是轻质高强。铝比目前应用于航天器制造的钢和钛质量轻很多,但是硬度和强度不够,加入了碳纳米管,就可以实现轻质高强,发射成本会大幅下降。”沙军威表示。

  由于碳纳米管具有良好的导电、导热性能,因此还可以把它添加到塑料、纺织材料中,美国莱斯大学研究人员就使用交织的碳纳米管纤维制作了一件可以作为心率监测器的衬衣。

  此外,由于碳纳米管具有表面缺陷增强的反应活性,使得其在催化领域的应用也方兴未艾。“比如用碳纳米管作为催化剂电解水制氢,把二氧化碳转化为甲醇等有机物,都是目前研究的热门。”沙军威介绍。

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