劇版《三體》曝光清華“飛刃”成果：現(xiàn)實里長這樣，太空電梯和碳基芯片都能用
世界上強度最高的材料之一
鄒名之 投稿
量子位 | 公眾號 QbitAI
還記得《三體》第一部中，關(guān)于“古箏計劃”的這段描寫嗎？
這艘巨輪像一疊被向前推開的撲克牌，這四十多個巨大的薄片滑動時相互摩擦，發(fā)出一陣尖利的怪音，像無數(shù)只巨指在劃玻璃。
在這令人無法忍受的聲音消失后，“審判日”號已經(jīng)化做一堆岸上的薄片，越靠上前沖得越遠(yuǎn)，像從一個絆倒的服務(wù)生手中向前傾倒的一摞盤子。
那些薄片看上去像布片般柔軟，很快變形，形成了一堆復(fù)雜的形狀，讓人無法想象它曾是一艘巨輪。
造成這般驚人景象的，正是“古箏計劃”中對于一種名叫“飛刃”納米材料的應(yīng)用。
大劉以形象的比喻，描繪了“飛刃”的強度：
頭發(fā)絲十分之一粗細(xì)的高強度納米絲削鐵如泥、分割船體，如同切豆腐一樣掠過每一個船員的身體。
雖然是科幻小說，但大劉筆下的“飛刃”，確實有現(xiàn)實依據(jù)可考——
作為目前強度最高的材料之一，碳納米管正是大劉筆下“飛刃”的雛形。
那么，現(xiàn)實中的這種材料究竟進(jìn)展如何？未來又能應(yīng)用于什么地方？
一起來看看。
納米材料強度為何這么高？
大劉開始寫《三體》的時候，正是納米材料研究風(fēng)頭正盛之時。
“納米”這個詞一時間成為了科技報道中的?？?，甚至一度成為高科技的代名詞。
納米本意是一個長度單位，即10-9米，納米尺度通常是指1-100納米，這是一個非常小的尺度。
一般來說，分子中兩個原子的間距一般僅為0.1-0.3納米，所謂納米尺度，其實就是數(shù)十個原子排列的長度。
說到這，讀者可能會有疑問：那納米材料不就是特別小、特別細(xì)的材料嗎，有什么特別的呢？
重點在于大部分材料在縮小到納米尺度時，都會產(chǎn)生納米尺寸效應(yīng)，例如一些金屬會變成半導(dǎo)體、甚至絕緣體，而一些不活潑的物質(zhì)會變得非?；顫?。
它們的原子排列結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈的變化，導(dǎo)致它們的性質(zhì)也出現(xiàn)了差異。
舉一個簡單的例子，我們平常使用的鉛筆之所以能在紙上留下痕跡，是因為它質(zhì)地很軟，石墨筆尖與紙張發(fā)生摩擦?xí)r，一些石墨片層發(fā)生了滑移，留在了紙上，所以我們能看到黑色的痕跡。
如果我們用同樣由碳原子組成的鉆石在紙上滑動，除了劃破紙張，啥也不會留下。
鉆石和石墨都是由碳原子組成，但是它們內(nèi)部的原子排列結(jié)構(gòu)存在巨大差異，所以它們一硬一軟，一個絕緣，一個導(dǎo)電，性質(zhì)差異巨大。
如果我們將石墨塊削薄，減薄至單一原子層，進(jìn)入到納米尺度，就得到了石墨烯。
石墨烯和石墨的性質(zhì)差異巨大，它是一種強度非常高的材料，理論上讓一頭大象站在一只筆尖上、再將筆尖扎在一張完美無缺陷的石墨烯薄膜上，薄膜都不會破裂。
而將石墨烯像卷紙一樣卷成直徑僅為若干納米的、無縫閉合的中空管狀結(jié)構(gòu)，就得到了碳納米管。
1991年，日本科學(xué)家Iijima在電弧放電實驗中，偶然發(fā)現(xiàn)了這種一維結(jié)構(gòu)的材料。[1]
碳納米管由碳碳鍵連接而成，這是最強的化學(xué)鍵之一，其強度遠(yuǎn)高于金屬之中的金屬鍵。
要使得碳納米管斷裂，就需要破壞碳原子之間的化學(xué)鍵，這意味著碳納米管可以承受很大的應(yīng)力，具有很高的力學(xué)強度。
早期的理論計算研究表明碳納米管的彈性模量高達(dá)5.5Tpa，是鋼的25倍。[2]
1996年，Treacy等研究人員在電子顯微鏡下，通過測量多壁碳納米管與時間相關(guān)的熱振動振幅，測得多壁碳納米管的平均楊氏模量為1.8TPa。[3]
雖然碳納米管理論強度很高，但要實現(xiàn)這種材料的真正應(yīng)用，還有一段很長的路要走。
《三體》背后的清華科研項目
《三體》電視劇中，汪淼教授背后介紹飛刃材料的PPT，描述的正是清華大學(xué)魏飛老師課題組合成超長碳納米管的相關(guān)內(nèi)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，碳納米管主要通過電弧放電法和化學(xué)氣相沉積法合成：
即通過放電或者高溫裂解芳香烴（苯）、脂肪烴（甲烷、乙烯）、醇類（乙醇、甲醇）或者它們的混合物，產(chǎn)生碳碎片，這些碳碎片會在催化劑（常見的催化劑是鐵等金屬納米顆粒）上生長形成一維結(jié)構(gòu)的碳納米管。
雖然這些方法都能實現(xiàn)碳納米管的連續(xù)制備，但產(chǎn)量非常有限，正如汪教授所言，無法量產(chǎn)。
現(xiàn)實中，量產(chǎn)高質(zhì)量的長碳納米管是仍然是亟待解決的重大難題。
納米尺度的碳納米管合成后，還需通過紡絲、致密化處理等多個步驟才能得到碳納米管纖維，碳納米管纖維才是一種能真正應(yīng)用的宏觀材料。
目前實際生產(chǎn)的大多數(shù)碳納米管纖維強度僅為5-6GPa，與理論強度相距甚遠(yuǎn)。
這是因為纖維中并不是每一根碳納米管都是完美無缺陷的，缺陷的存在使得當(dāng)纖維受力時，碳納米管極易在缺陷處斷裂，從而降低整體強度。
2018年，魏飛老師課題組合成了厘米級的無缺陷碳納米管管束，力學(xué)強度高達(dá)80GPa，實現(xiàn)了重大突破。[5]
相關(guān)領(lǐng)域的研究人員們?nèi)栽诓恍概Γ邚姸忍技{米管纖維真正大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的方向邁進(jìn)。
太空電梯和碳基芯片都能用
談及碳納米管的用途，許多人的第一反應(yīng)就是太空電梯，即用于建設(shè)連接太空電梯頂端空間站與地球的纜索結(jié)構(gòu)。
為了使空間站位于地球的同步軌道上，纜索必須繃直，因此該結(jié)構(gòu)需要承受巨大的拉力。
目前碳納米管無論是強度還是產(chǎn)量，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個要求，更不用說運載過程帶來的材料磨損和氧化問題（碳納米管在高溫且具有氧氣的環(huán)境下是不穩(wěn)定的），這仍將是人類美好的設(shè)想。
但這并不意味著碳納米管是無用的。
作為一種輕質(zhì)高強，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異的材料，它在武器裝備制造（比如防彈衣）、特殊功能材料、電池（用作導(dǎo)電添加劑）等多個領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景。
半導(dǎo)體型的碳納米管還有望用于制造碳基芯片，它具有極高的載流子遷移率，可以通過自下而上的方式構(gòu)筑集成電路，代替硅材料，解決硅基材料受摩爾定律限制的難題。
從2000年至今，北京大學(xué)彭練矛院士一直堅守在國產(chǎn)碳基芯片研究一線。
2020年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊首次制備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳納米管晶體管，實現(xiàn)了該領(lǐng)域的重大突破，有望打破中國芯片產(chǎn)業(yè)鏈面臨著被“卡脖子”的狀況。[6]
新一代的碳基芯片具有更優(yōu)異的性能，在包括數(shù)字電路、射頻/模擬電路、傳感器件、光電器件在內(nèi)的多個應(yīng)用領(lǐng)域都具備革命性的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
[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.
圖片來自三體電視劇和流浪地球2截圖
相關(guān)閱讀
