白云祥是我的师弟，3年前跨专业加入了我
们的课题组，准备成为一名化工专业的博
士生。在过去的三年中，我见证了他
从对
课题一头雾水，一步步走到成功发表论
文
。
我们搞的
碳纳米管是个啥？
作为组里的中高年级博士生，我经常被问
到一个问题：
什么是碳纳米管
？
虽然我自己不做这方面的研究，但被问得多了，我也积累出了回答的套路。我往往
会先反问一个看似毫不相关的问题：
你看过
《三体》
么？
《三体》是从一名纳米材料科学家汪淼的
视角展开的。我经常半开玩笑地说，汪淼
的原型就是我导师魏飞老师，因为小说中
汪淼的
超强线性材料“飞刃”
，原型应当就
是
碳纳米管
。
三体中“飞刃”被用来执行代号“古筝行动”的秘
密军事行动，这种极细的丝状纳米材料将叛军
船只“审判日”号切割成了条状。图片来源：
COLTZ 绘。
碳纳米管最引人瞩目的一点就是
具有超高
机械强度和很小的密度
。如果人类想要
建
立前往太空的电梯
，碳纳米管是唯一一种
能够跨越如此长的距离而不被自身重量拉
断的材料。
而从实验室到实用的过程中，
将碳纳米管
组装成管束或者纤维就是非常重要的一
环。
碳纳米管的理论断裂强度超过100GPa（作为对比，目前能实现工业化量产
的典型碳纤维——T800型碳纤维的断裂强
度为5 GPa左右），如果碳纳米管管束或
者纤维能发挥出理论强度的八成功力，比
如达到80 GPa，就足以超越现有的碳纤维
10倍还多了。
但是目前，
只要将碳纳米管做成管束或者
纤维，其机械性能就会急剧下降，完全不
能与单根碳管相比
，原因可能源于管束或
纤维的缺陷、取向、不连续性等各种各样
的奇怪问题。这些问题一直阻碍着碳纳米
管在力学领域的实用化进程。超长碳纳米管管束示意图，每根超长碳纳米管
的直径大约在2纳米左右，头发丝的万分之一
粗。图片来源：参考文献1
实验一天只能做两次
啥时候是个头哇
与碳纳米管打交道是我们课题组的专长。
在这之前，我们组就合成了
世界最长碳纳
米管
[2]。还观测到多层碳纳米管内层抽出
来的过程中，内外层之间没有摩擦——这
被称为超润滑现象[3]。此外，我们还在
世
界上首次
实现了碳纳米管的
年产千吨级制
备
，用化学工程的思想把碳纳米管从比黄
金还贵的玩意成功搞成了白菜价。
但是，不同于已经年产千吨级的聚团状或
者垂直阵列状碳纳米管，
超长碳纳米管
的
制备条件极为苛刻
。超长碳纳米管的生长
过程受到非常多种因素的影响，包括原料
气纯度及配比、反应温度、反应压力、停
留时间、水蒸气含量、气流均匀性、催化
剂设计、反应基底等等。另外，超长碳纳
米管的产率也极低。因此它的可控制备方
法一直被公认为是碳纳米管研究领域中的
重大难题，
对于没有相关背景的师弟而言
更是一项不小的挑战
。刚开始的一段时间里，白云祥怎么样都摸
不透碳纳米管的生长条件，那么多影响因
素，很多时候甚至都不知道是一个出了问
题还是哪几个同时出了问题。由于反应炉
要加热到1000℃以上，反应之后降温的过
程很慢，所以每天满打满算只能做两次条
件实验。如此一来实验成功看上去简直遥
遥无期，这令他有了很强的挫败感。
好在功夫不负有心人，经历两个多月的努
力，在课题组师兄师姐的帮助下，白云祥
终于总结出了调节超长碳纳米管生长条件
的规律。但是这只是最基本的生长超长碳纳米管水平阵列的制备，这之后才是
最关
键的问题
：
怎么样才能在看不见摸不着的
情况下将它们从一根根的平行排列的形貌
给并到一起形成管束呢
？
除夕夜还在做实验
终于能本科毕业了？
他设想了很多种方案，最终决定采用一种
叫做原位气流聚焦的方式进行实验。可是
实际实施起来远比他想象的要困难得多，
在刚开始尝试合成管束的几个月时间里
面，他不是发现超长碳纳米管长不出来，
就是发现即使长出来了也无法按照自己的
设想合并成为管束。眼看就要离新年除夕只有几天了，大家几
乎都已经回家过年，他的毕业设计的第一
步管束制备实验却还是一直处于失败状态
几乎毫无进展。这时候他甚至有点担心自
己能否顺利毕业拿到学士学位了。
移动恒温区法生长碳纳米管的实验装置，发明
者张如范为本文通讯作者之一
就在
大年二十九
那一天，白云祥终于找到
了控制碳纳米管管束合成的关键性规律条
件。那一刻，他激动万分。紧接着，他兴
奋地去测量了制备出的管束的力学性能，
却发现力学性能随着管束根数的增加呈现
下降的趋势，这
和想象中的结果完全不一
样
。
拉面！
秘密就是，拉面！
郁闷的白云祥把这个结果告诉了导师魏
飞，而魏老师则从失败的数据中敏锐地发
现，这个结果源于
管束中的每根碳纳米管
无法同时均匀受力
。这种情况常见于平行钢丝拉索。
图为中国星海湾跨海大桥悬索主缆，画圈的地
方就是平行钢丝拉索了。正版素材来源：图虫
创意
提了升拉索整体的力学性能，
在平行钢丝
拉索投入使用之前，需要通过调节保证每
根钢丝受到的力相同，否则就会出现有的
钢丝受力比其他钢丝大的情况
；而一旦受
力较大的钢丝断裂，它原本承担的力就会
转嫁到其他钢丝身上，从而恶化平行钢丝
拉索整体的力学性能。这在结构力学中被
称为Daniels效应。
魏老师认为这种Daniels效应同样存在于碳
纳米管管束中，并且可以通过类似的方法
调整来提升管束的力学性能。于是，师弟
决定采用类似的办法来处理碳纳米管束，
用类似拉面的手段对其进行“同步张弛”调
整处理[1]。碳纳米管束处理的示意图，先剪开，然后使用
类似“拉面”的手段来回拉扯进行调整。图片来
源：参考文献1
果然，经过处理之后，碳纳米管管束的力
学性能有了大幅度的提升，并
最终成功论
证了制备出的超长碳纳米管管束的拉伸强
度已经超过了任何已知的工程纤维材料
。
在这个过程中，白云祥师弟也顺利本科毕
业，正式成为我们组的博士研究生。
之后又经过两年的撰写、修改、投稿、再
修改的过程，今年5月，白云祥的论文终于
在《自然-纳米技术》（Nature
Nanotechnology）上发表。