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...

Posted 2023-03-04 QbitAl

邹名之 投稿
量子位 | 公众号 QbitAI

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。

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。

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。

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]

（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。

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]

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。

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。

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。

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。

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。

参考文献：
[1] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature, 1991, 354(6348): 56.
[2] Qu L, Dai L, Stone M, et al. Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off[J]. Science, 2008, 322(5899): 238.
[3] Treacy M M J, Ebbesen T W, Gibson J M. Exceptionally high young’s modulus observed for individual carbon nanotubes[J]. Nature, 1996, 381(6584): 678.
[4] 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.
[5] Bai Y, Zhang R, Ye X, et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa[J]. Nature nanotechnology, 2018, 13(7): 589-595.
[6] Liu L, Han J, Xu L, et al. Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics[J]. Science, 2020, 368(6493): 850-856.
图片来自三体电视剧和流浪地球2截图