《科學》：研究發現碳納米管薄層的獨特力學性質
2008-05-14 來源：科學網
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美國和巴西科學家的一項最新研究，發現了碳納米管薄層（nanotube sheet）在受到拉伸或壓縮時，可以表現出一種超乎想象的力學性質。這一成果有望為碳納米管帶來巨大的應用前景，比如制造人工肌肉、傳感器等。相關論文發表在4月25日的《科學》雜志上。
圖片說明：巴克紙中的多壁碳納米管在原子力顯微鏡下的圖像。
（圖片來源：University of Texas at Dallas）
大多數材料在朝一個方向拉伸時，另一個方向就會變細變窄，比如橡皮筋。這種現象可以用泊松比（Poisson’s ratio，側向收縮比例與實際伸長比例的比值）來定量描述。然而，最新研究發現，一種特殊的碳納米管薄層（也稱巴克紙）卻能夠在拉伸和均勻壓縮時，長度和寬度同時增加。也就是說這種材料具有負的泊松比。
領導該項研究的是美國德克薩斯大學達拉斯分校納米技術研究所主任Ray H. Baughman，他也是該校的Robert A. Welch化學教授。他和同事利用古老的造紙方法——烘干纖維漿來制造上述的納米管薄層。實驗用的“漿”是單壁碳管和多壁碳管的混合物。研究人員發現，隨著多壁碳管在薄層中的增加，薄層的泊松比會從0.06突然躍變為-0.20。
研究人員認為，這種“突變”可能與相鄰碳納米管間的不同聯系模式相關。在一種情況下，這種關聯結構是可壓縮、可形變、可坍塌的，而在另一種情況下，這種結構是鎖死的，它由于自身的可延伸性而出現了負泊松比。Baughman表示，“這種泊松比正負的突然轉變太令人驚訝了，加上納米管薄層的復雜性，這些都讓我們在最初時認為，無論應用多么高超的理論都無法定量解釋該現象。與巴西同事每日在互聯網上的交流，讓我們從那些若完全分析則太過復雜的結構中提取出一些本質特性，并最終導致成功的解釋模型出現。”
Baughman小組隨后還發現，同時包含有單壁碳管和多壁碳管的薄層與由二者單獨構成的結構相比，其強度-重量比、模-重比以及韌性都要更高，分別為后者的1.6、1.4和2.4倍。
新的研究成果具有重要的應用價值，比如設計源自納米薄層的復合物，制造人工肌肉、墊圈、壓力傳感器和化學傳感器等。尤其是當調整單壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好為0時，這種材料對于設計彎曲時寬度依然不變的感應懸臂十分有效。
（《科學》（Science），Vol. 320. no. 5875, pp. 504 - 507，Lee J. Hall, Ray H. Baughman）
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（責任編輯：蔚藍）
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