中国科学家制备出世界上最长的碳纳米管

近日,美国化学会纳米杂志(ACS Nano)报道了清华大学大学化工系魏飞教授与清华大学微纳米力学中心的张莹莹副研究员合作带领的团队制备出了世界上最长的碳纳米管,其单根长度可以达到半米以上,这也是目前所有一维纳米材料中长度的最高值

碳纳米管作为人类发现的力学性能最好的材料,有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。例如,碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。这种优异的力学性能使碳纳米管在超强纤维、防弹衣等领域有着广阔的应用前景。《科学美国人》杂志曾提出一种诱人的梦想:利用碳纳米管制作一根太空天梯,可以使人类沿着天梯直接从地球通往太空。然而,实现上述梦想的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,其单根长度达到米级甚至公里级以上。

自从1991年碳纳米管被正式报道以来,为了提高其长度,全世界的碳纳米管研究者进行了大量艰辛的探索。然而一直到2009年,碳纳米管的最大长度只有18.5厘米,这种有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。魏飞教授带领其研究团队在超长碳纳米管的制备方面开展了深入的研究工作。他们发现超长碳纳米管在本质上可以当作一种一维线性高分子,其生长状况可以用高分子领域的Schulz-Flory分布机理来描述。在Schulz-Flory机理的描述下,碳纳米管的催化剂活性概率起到了最关键的作用。对于碳纳米管的生长而言,在其生长过程中催化剂失活从而使其停止生长是一个不可逆转的规律,从而造成了超长碳纳米管很难达到很长的长度,并且也使其单位宽度上的生长密度急剧下降。要想提高了碳纳米管的长度,唯一的途径就是尽可能地提高其催化剂活性概率。

该研究团队在超长碳纳米管制备的工艺条件方面做了很多改进和创新,将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上,从而成功制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管,在超长碳纳米管的制备方面创造了一个新的世界纪录。

“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度”,魏飞教授谈到,“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。”

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