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。