剧版《三体》曝光清华“飞刃”成果:现实里长这样,太空电梯和碳基芯片都能用

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还记得《三体》第一部中,关于“古筝计划”的这段描写吗?

这艘巨轮像一叠被向前推开的扑克牌,这四十多个巨大的薄片滑动时相互摩擦,发出一阵尖利的怪音,像无数只巨指在划玻璃。

在这令人无法忍受的声音消失后,“审判日”号已经化做一堆岸上的薄片,越靠上前冲得越远,像从一个绊倒的服务生手中向前倾倒的一摞盘子。

那些薄片看上去像布片般柔软,很快变形,形成了一堆复杂的形状,让人无法想象它曾是一艘巨轮。

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造成这般惊人景象的,正是“古筝计划”中对于一种名叫“飞刃”纳米材料的应用。

大刘以形象的比喻,描绘了“飞刃”的强度:

头发丝十分之一粗细的高强度纳米丝削铁如泥、分割船体,如同切豆腐一样掠过每一个船员的身体。

剧版《三体》曝光清华“飞刃”成果:现实里长这样,太空电梯和碳基芯片都能用

虽然是科幻小说,但大刘笔下的“飞刃”,确实有现实依据可考——

作为目前强度最高的材料之一,碳纳米管正是大刘笔下“飞刃”的雏形。

那么,现实中的这种材料究竟进展如何?未来又能应用于什么地方?

一起来看看。

纳米材料强度为何这么高?

大刘开始写《三体》的时候,正是纳米材料研究风头正盛之时。

“纳米”这个词一时间成为了科技报道中的常客,甚至一度成为高科技的代名词。

纳米本意是一个长度单位,即10-9米,纳米尺度通常是指1-100纳米,这是一个非常小的尺度。

一般来说,分子中两个原子的间距一般仅为0.1-0.3纳米,所谓纳米尺度,其实就是数十个原子排列的长度。

说到这,读者可能会有疑问:那纳米材料不就是特别小、特别细的材料吗,有什么特别的呢?

重点在于大部分材料在缩小到纳米尺度时,都会产生纳米尺寸效应,例如一些金属会变成半导体、甚至绝缘体,而一些不活泼的物质会变得非常活泼。

它们的原子排列结构发生了剧烈的变化,导致它们的性质也出现了差异。

举一个简单的例子,我们平常使用的铅笔之所以能在纸上留下痕迹,是因为它质地很软,石墨笔尖与纸张发生摩擦时,一些石墨片层发生了滑移,留在了纸上,所以我们能看到黑色的痕迹。

如果我们用同样由碳原子组成的钻石在纸上滑动,除了划破纸张,啥也不会留下。

钻石和石墨都是由碳原子组成,但是它们内部的原子排列结构存在巨大差异,所以它们一硬一软,一个绝缘,一个导电,性质差异巨大。

如果我们将石墨块削薄,减薄至单一原子层,进入到纳米尺度,就得到了石墨烯。

石墨烯和石墨的性质差异巨大,它是一种强度非常高的材料,理论上让一头大象站在一只笔尖上、再将笔尖扎在一张完美无缺陷的石墨烯薄膜上,薄膜都不会破裂。

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而将石墨烯像卷纸一样卷成直径仅为若干纳米的、无缝闭合的中空管状结构,就得到了碳纳米管

1991年,日本科学家Iijima在电弧放电实验中,偶然发现了这种一维结构的材料。[1]

碳纳米管由碳碳键连接而成,这是最强的化学键之一,其强度远高于金属之中的金属键。

要使得碳纳米管断裂,就需要破坏碳原子之间的化学键,这意味着碳纳米管可以承受很大的应力,具有很高的力学强度。

早期的理论计算研究表明碳纳米管的弹性模量高达5.5Tpa,是钢的25倍。[2]

1996年,Treacy等研究人员在电子显微镜下,通过测量多壁碳纳米管与时间相关的热振动振幅,测得多壁碳纳米管的平均杨氏模量为1.8TPa。[3]

虽然碳纳米管理论强度很高,但要实现这种材料的真正应用,还有一段很长的路要走。

《三体》背后的清华科研项目

《三体》电视剧中,汪淼教授背后介绍飞刃材料的PPT,描述的正是清华大学魏飞老师课题组合成超长碳纳米管的相关内容。[4]

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(Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161. DOI: 10.1021/nn401995z)

目前,碳纳米管主要通过电弧放电法和化学气相沉积法合成:

即通过放电或者高温裂解芳香烃(苯)、脂肪烃(甲烷、乙烯)、醇类(乙醇、甲醇)或者它们的混合物,产生碳碎片,这些碳碎片会在催化剂(常见的催化剂是铁等金属纳米颗粒)上生长形成一维结构的碳纳米管。

虽然这些方法都能实现碳纳米管的连续制备,但产量非常有限,正如汪教授所言,无法量产。

现实中,量产高质量的长碳纳米管是仍然是亟待解决的重大难题。

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纳米尺度的碳纳米管合成后,还需通过纺丝、致密化处理等多个步骤才能得到碳纳米管纤维,碳纳米管纤维才是一种能真正应用的宏观材料。

目前实际生产的大多数碳纳米管纤维强度仅为5-6GPa,与理论强度相距甚远。

这是因为纤维中并不是每一根碳纳米管都是完美无缺陷的,缺陷的存在使得当纤维受力时,碳纳米管极易在缺陷处断裂,从而降低整体强度。

2018年,魏飞老师课题组合成了厘米级的无缺陷碳纳米管管束,力学强度高达80GPa,实现了重大突破。[5]

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相关领域的研究人员们仍在不懈努力,朝着高强度碳纳米管纤维真正大规模生产应用的方向迈进。

太空电梯和碳基芯片都能用

谈及碳纳米管的用途,许多人的第一反应就是太空电梯,即用于建设连接太空电梯顶端空间站与地球的缆索结构。

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为了使空间站位于地球的同步轨道上,缆索必须绷直,因此该结构需要承受巨大的拉力。

目前碳纳米管无论是强度还是产量,都远远达不到这个要求,更不用说运载过程带来的材料磨损和氧化问题(碳纳米管在高温且具有氧气的环境下是不稳定的),这仍将是人类美好的设想。

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但这并不意味着碳纳米管是无用的。

作为一种轻质高强,导电导热性能优异的材料,它在武器装备制造(比如防弹衣)、特殊功能材料、电池(用作导电添加剂)等多个领域都具有重要的应用前景。

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半导体型的碳纳米管还有望用于制造碳基芯片,它具有极高的载流子迁移率,可以通过自下而上的方式构筑集成电路,代替硅材料,解决硅基材料受摩尔定律限制的难题。

剧版《三体》曝光清华“飞刃”成果:现实里长这样,太空电梯和碳基芯片都能用

从2000年至今,北京大学彭练矛院士一直坚守在国产碳基芯片研究一线。

2020年,他带领团队首次制备出性能接近理论极限,栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管,实现了该领域的重大突破,有望打破中国芯片产业链面临着被“卡脖子”的状况。[6]

新一代的碳基芯片具有更优异的性能,在包括数字电路、射频/模拟电路、传感器件、光电器件在内的多个应用领域都具备革命性的应用前景。

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