联系消息来源。还记得《三体》第一部对“古筝计划”的描述吗？这艘巨舰就像一叠扑克牌被推着往前推。这四十片巨大的薄片滑动时相互摩擦，发出一种奇异的尖锐声响，就像是无数巨大的手指在刮擦玻璃。令人难以忍受的声音消失后，末日号在岸上化为一堆碎片，越滚越远，就像一堆盘子从一个跌跌撞撞的侍者手中滚落下来。那些看似柔软如布的薄片，迅速变形为一团复杂的形状，让人无法想象它曾经是一艘巨轮。造成如此惊人一幕的是“古筝计划”中一种名为“飞刃”的纳米材料的应用。刘用一个比喻来描述“飞刀”的强度：头发丝粗细的十分之一的高强度纳米线像切泥一样切铁，劈开船体，像切豆腐一样从每个船员的身上掠过。虽然是科幻小说，但刘笔下的“飞刀”确实有现实可考的依据——碳纳米管作为目前最强的材料之一，就是刘笔下“飞刀”的雏形。那么，这种材料在现实中是如何进展的呢？未来可以应用到哪些地方？让我们来看看。为什么纳米材料的强度这么高？大刘开始写《三体》的时候，正是纳米材料研究如火如荼的时候。“纳米”一词一时间成为科技报道的常客，甚至一度成为高科技的代名词。Nano意为长度单位，即10-9米，而nanoscale通常指的是1-100纳米，这是一个非常小的尺度。一般来说，一个分子中两个原子之间的距离一般只有0.1-0.3纳米。所谓纳米级，其实就是几十个原子排列的长度。说到这里，读者可能会有疑问：纳米材料不就是极小极薄的材料吗？他们有什么特别之处？重点是大多数材料在收缩到纳米级时都会产生纳米级的效果。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，导致它们的性质发生了差异。举个简单的例子，我们平时用的铅笔之所以能在纸上留下痕迹，是因为它很软。当石墨笔尖与纸摩擦时，一些石墨片会滑落并留在纸上，所以我们可以看到黑色痕迹。如果我们将同样由碳原子构成的钻石滑过纸张，它只会在纸张上留下划痕。金刚石和石墨都是由碳原子构成，但其内部原子排列结构存在巨大差异，因此有硬有软，有绝缘有导电，性能差异很大。如果我们将一块石墨减薄到单个原子层，再到纳米级，我们就会得到石墨烯。石墨烯和石墨的性质非常不同。它是一种强度非常高的材料。理论上，让大象站在笔尖上，然后将笔尖贴在完美无缺陷的石墨烯薄膜上。不会破裂。碳纳米管是通过将石墨烯卷成像一卷纸一样直径只有几纳米的无缝封闭中空管状结构而得到的。1991年，日本科学家饭岛在电弧放电实验中偶然发现了这种一维结构材料。[1]碳纳米管由碳-碳键连接，这是最强的化学键之一，比金属中的金属键强得多。要打断碳纳米管，就必须打断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，具有很高的机械强度。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测量了多壁碳纳米管随时间变化的热振动振幅，测得多壁碳纳米管的平均杨氏模量为1.8TPa。[3]虽然碳纳米管的理论强度很高，但要真正实现这种材料的应用，还有很长的路要走。在《三体》《三体》电视剧背后的清华科研项目中，王淼教授介绍了飞边材料幕后的PPT，其中描述了清华魏飞老师超长碳纳米管组合的相关内容大学。[4]（张瑞，张勇，张琦，等。基于Schulz-Flory分布的半米长碳纳米管生长[J].纳米科技,2013,7(7):6156-6161.DOI:10.1021/nn401995z)目前碳纳米管主要采用电弧放电法和化学气相沉积法合成：即通过放电或高温热解芳香烃（苯）、脂肪烃（甲烷、乙烯）、醇类（乙醇、甲醇）或它们的这些碳碎片的混合物会产生碳碎片，碳碎片会在催化剂（常见的催化剂是铁等金属纳米粒子）上生长，形成一维碳纳米管。这些方法虽然可以实现碳纳米管的连续制备，但是产量非常有限。正如王教授所说，无法实现量产。现实中，高质量长碳纳米管的量产仍是亟待解决的重大问题。纳米级碳纳米管合成后，需要经过纺丝、致密化等多道工序才能得到碳纳米管纤维。碳纳米管纤维是一种真正可以应用的宏观材料。目前实际生产的大部分碳纳米管纤维的强度仅为5-6GPa，与理论强度相去甚远。这是因为并非纤维中的每根碳纳米管都是完美无缺的。缺陷的存在使得碳纳米管在纤维受力时容易在缺陷处断裂，从而降低整体强度。2018年，魏飞先生组合出厘米级无缺陷、机械强度高达80GPa的碳纳米管束，实现重大突破。[5]相关领域的研究人员仍在不懈努力，朝着高强碳纳米管纤维真正量产和应用的方向迈进。太空电梯和碳基芯片都可以使用。说到碳纳米管的用途，很多人的第一反应就是太空电梯，用于建造连接太空电梯顶部空间站和地球的缆索结构。为了让空间站停留在地球同步轨道上，电缆必须伸直，因此结构需要承受巨大的拉力。目前碳纳米管的强度和产量都远远达不到这个要求，更不用说承载过程中产生的材料磨损和氧化问题（碳纳米管在高温和有氧环境下不稳定），这仍将成为人类美好的愿景。但这并不意味着碳纳米管毫无用处。作为一种质轻、强度高、导电导热性能优良的材料，在兵器制造（如防弹衣）、特种功能材料、电池（用作导电添加剂）等诸多领域具有重要的应用前景。半导体碳纳米管也有望用于制造碳基芯片。它们具有极高的载流子迁移率，可用于自下而上构建集成电路，替代硅材料，解决硅基材料受摩尔定律限制的问题。问题。从2000年开始，北京大学彭连茂院士就坚守在国内碳基芯片研究的第一线。2020年，他带领团队首次制备出性能接近理论极限、栅极长度仅5纳米的碳纳米管晶体管。[6]新一代碳基芯片性能更优，在数字电路、射频/模拟电路、传感器器件、光电器件等诸多应用领域具有革命性的应用前景。
