清華魏飛教授團隊制備出世界最長碳納米管
清華新聞網(wǎng)7月16日電（通訊員 張強）近日，清華大學化工系教授魏飛帶領的化工系與微納米力學中心（CNMM）聯(lián)合研究團隊成功制備出世界上最長的、單根長度達半米以上的碳納米管，這也是目前所有一維納米材料長度的最高值。相關工作于6月27日以《基于Schulz-Flory分布的半米長碳納米管制備》（Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz-Flory Distribution）為題在線發(fā)表在國際著名期刊《美國化學會納米》（ACS Nano）上，并被美國納米技術與科學網(wǎng)Nanowerk邀請作為重點工作進行報道。文章第一作者為清華化工系博士生張如范，共同通訊作者為魏飛和微納米力學中心張瑩瑩副研究員。
圖為超長碳納米管生長機制、超長碳納米管照片、長度分布、拉曼光譜和應力應變曲線。
碳納米管是迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學性能最好的材料之一，有著極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率。其單位質量上的拉伸強度是鋼鐵的276倍，遠遠超過其他任何材料。這種優(yōu)異的力學性能其在超強纖維、防彈衣等領域有著廣闊的應用前景。十幾年前，《科學美國人》雜志曾提出一種誘人的夢想：若在地球與月亮之間搭建一座天梯，跨越如此長的距離而不被自身重量拉斷的材料，只有碳納米管。顯然，實現(xiàn)上述夢想的前提是批量制備出具有宏觀長度、并且具有理論力學性質的碳納米管，單根長度達到米級甚至公里級以上。
為了實現(xiàn)這一夢想，全世界的科學家就制備長的碳納米管進行了大量艱辛探索。清華機械系、物理系、化工系先后制成了20cm級別長度的碳納米管束（碳管不連續(xù)）或單根碳納米管，始終處于世界領先水平。然而，自從2010年清華化工系制備出20厘米長的單根碳納米管以來，提高其長度就越發(fā)困難，國際上再也沒有新的突破。魏飛教授意識到需要進行制備方法論的重新審視，他把超長碳納米管看作一種一維線性高分子，巧妙地把描述高分子分子量分布的Schulz-Flory（舒爾玆-弗洛里）機理用來描述碳納米管長度增加的過程。該團隊首次研究發(fā)現(xiàn)，在Schulz-Flory機理描述下，碳納米管的催化劑活性概率起到了最關鍵的作用。對于碳納米管的生長而言，其高溫生長過程中催化劑的失活是一個不可逆的規(guī)律，從而限制了碳納米管的長度。并且催化劑的失活，長的碳納米管的密度急劇下降。因此，盡可能地提高其催化劑活性概率是進一步提高碳納米管的長度的唯一途徑。該團隊充分發(fā)揮材料制備和化工技術學科交叉的優(yōu)勢，在制造設備、制備工藝方面進行了大量改進和創(chuàng)新，首次將生長每毫米長度碳納米管的催化劑活性概率提高到99.5%以上，終于成功制備出單根長度超過半米的碳納米管，創(chuàng)造了新的世界紀錄。
值得指出，這類超長碳納米管擁有長度、生長速度快與結構超完美的多種重誘人特性，從而具有意想不到的機械性能。該團隊前期兩次在《先進材料》（Advanced Material）和《材料化學》（Chemistry of Materials）發(fā)表文章，報道了其厘米級長程完美的原子結構、目前世界上最快的生長速率、以及接近理論最高值的拉伸強度、楊氏模量和斷裂伸長率。多次被《自然》中國（Nature China），自然出版集團亞洲材料（NPG Asia Materials）等網(wǎng)站重點報道。
魏飛指出，“我們所制備的碳納米管具有完美的結構、優(yōu)異的力學性能和宏觀的長度， 目前我們正在從事一米以上碳納米管的制備，下一步我們希望能夠制備出公里級以上長度并具有宏觀密度的碳納米管。這些工作將為太空天梯的制備開啟一線曙光。”
文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn401995z
供稿：化工系 編輯：范 麗
