半米長的碳納米管有什麼用？

作者：紅雨

清華大學魏飛教授領導的團隊，最近製備出了創世界紀錄的超過半米長的碳納米管。這是碳納米管研究朝應用的方向踏出的重要一步。

碳原子在平面上排成六邊形蜂巢狀，就是石墨烯。石墨烯一層層疊起來，就是石墨。單層石墨烯捲成一根空心柱，就是碳納米管。碳納米管的直徑是幾納米，人頭髮的直徑是幾十微米，意味著上萬根納米管才有一根頭髮粗。

碳納米管有很多應用，最重要的一個方向是在於製造「又強又韌又輕又便宜」的材料。天然材料中，蛛絲是最強的。而碳納米管纖維韌性甚至能超過蛛絲。這樣的材料在航空航天領域極其重要。碳納米管剛被發現的時候，就因為它的機械強度和彈性模量超高，而質量超輕，於是受到廣泛的關注。從單位質量上算的話，它的強度是鋼鐵的三百多倍。而且碳是一種很便宜的元素（當然，現在碳納米管並不便宜，但是降低價格是有希望的）。因此，世界上有很多團隊都參與研究，希望能用碳納米管做出「又強又韌又輕又便宜」的超級纖維。

這樣的碳納米管纖維，假如能做到宏觀尺寸，在製造複合材料上，會比傳統的碳纖維要好得多得多。碳纖維一般有幾個微米粗，而且內部的化學結構是雜亂的，相比於只有幾個納米粗而且結構有序的碳納米管，單位強度要差的多。這有什麼用呢？舉幾個例子：過去幾十年間，複合材料在飛機製造上廣泛應用，替代了鋼鐵以及昂貴的鈦合金，使得飛機更輕，更省油，更安全，壽命更長。如果有大量便宜的碳納米管纖維應用于飛機製造，那麼飛機的性能還能往前大大地再踏進一步。對航天器的製造來說，影響將更為巨大。航天器的載重就象是一個金字塔：如果有又強又輕的複合材料，航天器的重量就可以減輕，那麼在高空的推進中就可以減少燃料，在低空的推進中就能減少運送燃料用的燃料（相當於整個金字塔瘦上一圈）。那麼航天器的造價，安全性上都能有跨越性的進步。

更進一步遙望未來，高質量的碳納米管纖維可以幫助我們達成建造「天梯」的夢想，更快更省地發射航天器。現在航天器的最主要造價，都在於運送燃料的燃料（上面說的金字塔的底部）。如果能建造一個幾百公里高的高塔甚至於一個到達35800公里處地球靜止軌道的「天梯」，把航天器先送到頂端然後再發射，那麼就能極大地減少燃料的運用，降低發射航天器的費用並增加安全性。建這麼高的塔，需要又強又輕的非傳統建築材料，這樣這個塔才不會被自重壓垮。有人做過理論計算，證明又強又輕的碳納米管可以幫我們實現這個夢想。

以上這些，都是在碳納米管很貴的前提下就可以做的事情。如果碳納米管可以降到大白菜的價，哪怕降到鈦合金的價，那麼從自行車到球拍到眼鏡架，都可以明顯減重增效。碳納米管的發現者已經拿了1996年的諾貝爾化學獎，石墨烯的研究者也拿了2010年的諾貝爾物理獎。如果碳納米管的製備實現突破，那麼做出主要貢獻的人，我認為是可以再得諾貝爾獎的。至不濟，拿賺來的錢，也可以自己再創建個諾貝爾獎。

那麼生產高質量的碳納米管的主要難點在什麼地方？一個是結構的控制（包括長度、直徑等），一個是准工業化生產。現在一般的碳納米管只有幾納米寬幾微米長。我們想像一下：如果把一個直徑一米的球放大到地球那麼大，那麼在這個放大的「地球」上，一納米就相當於一厘米，一根碳納米管也就是幾厘米寬幾十米長的管子。這麼小這麼短的管子，如果僅僅是雜亂無章的分散在複合材料中，很難發揮其出色的性能。如果要象鋼纜一樣，把無數根碳納米管擰成一根緊密的「繩」，那麼首先這些碳納米管需要有足夠的長度。要想長得長，那麼生長碳納米管用的催化劑，要活性特別高，而且能堅持特別久。

這就是魏飛教授的團隊解決的主要問題，他們找到了有效的方法來延長催化劑的壽命，從而能長出世界紀錄的長度（半米以上）。另外，如果只是在實驗室裡面，用超精密的方法，長出一兩根碳納米管，那也沒什麼用。魏飛教授的團隊在准工業化生產碳納米管上，一直都是國際一流的。所以他們能夠得到足夠量的超長碳納米管來為下一步研究做準備，而且他們的生長方法從一開始就是為準工業化生產設計的。

接下來要想把碳納米管做成高質量的纖維，難在什麼地方？一個是紡織技術，一個是不間斷的連續生長。想像一下，站在直徑一米的「地球」外面，想把這個「地球」上的幾千億根幾厘米粗的管子紡織成緊密擰合的一束相當於幾十公里粗的線（也就是現實中的幾毫米粗），用傳統的紡織技術是行不通的。紡織方法的好壞在很大程度上決定了繩子的強度，而方法上最大的難點是因為碳納米管太細太短，很難有效操控。現在的做法有氣相沉積，有聚合物熔融，有靜電紡織……說起來也沒有那麼難，但是方法上還需要改進。更重要的問題在於連續生長。每次長半米長，然後降低爐溫才能收取產品的話，成本太高，效率太低，不現實。如果能夠進一步提高催化劑的活性，把碳納米管長到幾十米甚至幾公里的話（這裡有可觀的技術難度，但應該是可以實現的），就可以大大提高效率了，紡織的難度也會大大降低。當然，實現這些科學上的難點只是第一步，要實現工業化生產，還有更長的路要走。

除了做又硬又輕的材料，碳納米管還有獨特的結構和導電性，可以用來做納米尺度的電子器件，會比傳統的電子器件更小更靈敏更便宜。但是一般的碳納米管長度不一，有很多種不同的結構類型，其導電性也不相同，所以很難用來規模化生產性能一致的器件。有了超長的碳納米管，每一根就可以製備出成千上百萬個結構和性能一模一樣的器件。所以，超長碳納米管對這個領域來說，也是一個巨大的突破。進一步的提高，也是可以期待的。