中国清华继“北斗”后再造制造“太空天梯”的理想材料(强!)

中国制出世界最长碳纳米管 将为太空天梯开启一线曙光

近日,清华大学魏飞教授带领的的团队制备出了世界上最长的碳纳米管,其单根长度可以达到半米以上。由于碳纳米管自身重量极轻,却拥有高出钢铁数百倍的拉伸强度,被认为是制造“太空天梯”的理想材料。

魏飞教授说,他们团队的目标是制备出公里级以上长度的碳纳米管,为太空“天梯”的制造开启一线曙光。

中国清华继“北斗”后再造制造“太空天梯”的理想材料(强!)

魏飞团队制造出长度达到半米的碳纳米管

创造纳米材料新纪录

近日,在北京市科委支持下,清华大学化工系魏飞教授与清华大学微纳米力学中心的张莹莹副研究员合作带领的团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管,创造了新世界纪录,这也是目前所有一维纳米材料长度的最高值。

6月27日,国际著名期刊《美国化学会纳米》(ACS Nano)发表了一篇题为《基于Schulz-Flory分布的半米长碳纳米管制备》(Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz-Flory Distribution)的论文,对这一成果进行了介绍。文章第一作者为清华化工系博士生张如范,共同通讯作者为魏飞教授和张莹莹副研究员。

据该论文介绍,魏飞教授团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势,在制造设备、制备工艺方面进行大量改进和创新,首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上,最终成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管。

太空天梯的理想材料

中国清华继“北斗”后再造制造“太空天梯”的理想材料(强!)

碳纳米管结构示意图

碳纳米管是由石墨分子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间,长度则远大于其直径。

1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了这一特别的分子结构。

碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。 作为人类发现的力学性能最好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。例如,碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。

《科学美国人》杂志曾提出一种诱人的梦想:利用碳纳米管制作一根太空天梯,可以使人类沿着天梯直接从地球通往太空。

虽然与人类现有的太空项目看上去非常不同,但“太空电梯”并非一个遥不可及的幻想。弗吉尼亚州费尔蒙特科学研究所的布拉德·爱德华兹博士指出,“太空天梯”的成本大约为70亿~100亿美元,与人类其他大型太空工程相比,费用并不算太大。更重要的是,太空升降舱上天不需要携带大量燃料,预计所耗能量不过为宇宙飞船发射的1%。英国的一项测算显示,用太空升降舱运送一个人和行李的费用仅相当于常用航天飞机运送费用的0.25%

2005年3月23日,美国宇航局正式宣布太空天梯已成为世纪挑战的首选项目。

中国清华继“北斗”后再造制造“太空天梯”的理想材料(强!)

将挑战公里级长度

实现“太空电梯”梦想的前提是批量制备出具有宏观长度并且具有理论力学性质的碳纳米管,其单根长度需要达到米级甚至公里级以上。

自从1991年碳纳米管被正式报道以来,为了提高其长度,全世界的碳纳米管研究者进行了大量艰辛的探索。然而一直到2009年,碳纳米管的最大长度只有18.5厘米,这种有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。

魏飞教授带领其研究团队在超长碳纳米管的制备方面开展了深入的研究工作。他们发现超长碳纳米管在本质上可以当作一种一维线性高分子,其生长状况可以用高分子领域的Schulz-Flory分布机理来描述。在Schulz-Flory机理的描述下,碳纳米管的催化剂活性概率起到了最关键的作用。

对于碳纳米管的生长而言,在其生长过程中催化剂失活从而使其停止生长是一个不可逆转的规律,从而造成了超长碳纳米管很难达到很长的长度,并且也使其单位宽度上的生长密度急剧下降。要想提高了碳纳米管的长度,唯一的途径就是尽可能地提高其催化剂活性概率。

该研究团队在超长碳纳米管制备的工艺条件方面做了很多改进和创新,将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上,从而成功制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管,在超长碳纳米管的制备方面创造了一个新的世界纪录。

“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度”,魏飞教授谈到,“目前我们正在从事一米以上碳纳米管的制备,下一步我们希望能够制备出公里级以上长度并具有宏观密度的碳纳米管。这些工作将为太空天梯的制备开启一线曙光。”

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