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我国成功制备出世界上最长的碳纳米管

来源:北京市科委 2013-07-24 17:33

近日,北京市科委支持科研项目再次取得世界性突破——继建立全球首个碳纳米管薄膜生产线之后,又成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管,创造了新的世界纪录。新一纪录较之前提高了一倍多。这也是着眼于推动北京纳米技术与产业快速发展的“北京纳米科技产业跃升工程”,再次取得的一项全球领先科研成果,令北京在未来科技与高端制造业中,抢占了战略制高点。

碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,有着极高的拉伸强度和断裂伸长率。其密度只有钢铁的六分之一到四分之一,单位质量上的拉伸强度,却是钢铁的276倍之高,远远超过目前人类发现和制造的其他任何材料。

十几年前,《科学美国人》杂志曾提出一种诱人的梦想:若在地球与月亮之间搭建一座天梯,跨越38万公里的距离而不被自身重量拉断的材料,只有碳纳米管!这样的假设或许并不好实现,但用碳纳米管建设地球与国际空间站、卫星连接“天梯”,却是可以预期的梦想。或许那时候,人类进入太空或运送物资进入空间站时,可以像乘坐电梯一样前往。更现实地看,碳纳米管的优异力学性能,还意味着其在超强纤维、防弹衣等领域有着广阔的应用前景。不过,要实现上述梦想,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——单根长度达到米级甚至公里级以上。

此前,全世界的科学家为了这一梦想绞尽脑汁,始终未能制备足够长的碳纳米管。清华大学机械系、物理系、化工系先后制成了20厘米长度的碳纳米管束或单根碳纳米管后,国际上几年来再也没有新的突破。其中最关键的困难,是碳纳米管“生长”(制造)过程中,高温环境下催化剂会很快失去活性,导致碳纳米管停止“生长”。

这几年来,清华大学魏飞教授带领团队对制备方法进行重新审视,终于找到了新的途径。他们充分发挥材料制备、化工技术学科交叉的优势,创新了制备方法,将“生长”每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率,首次提高到99.5%以上。这样,一直到碳纳米管“生长”到超过0.5米,催化剂才最终失效。

值得期待的还有,这类超长碳纳米管拥有长度、生长速度快与结构超完美的多种重诱人特性。这样的碳纳米管已经接近理论最高值的拉伸强度,从而具有意想不到的机械性能——真正可以和钢铁、钛合金等材料同场竞技,进入应用领域,制造“拉不断”的绳子、“扯不破”的纤维布、“打不透”的防弹衣。

魏飞教授对碳纳米管未来的应用充满期待:“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。”

目前,该研究成果已经在《先进材料》、《材料化学》、《美国化学会纳米》等国际权威学术期刊发表文章,引起了世界的关注。(生物谷Bioon.com)

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