近日，清華大學化工系魏飛教授團隊與清華大學航天航空學院李喜德教授團隊合作，在超強碳納米管纖維領域取得重大突破，在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超越了目前發現的所有其它纖維材料。相關成果以《拉伸強度超過80GPa的碳納米管管束》(Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa)為題，于5月14日在線發表于納米領域國際頂級學術期刊《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)上。
超長碳納米管管束的結構制備及力學性能
a. 碳納米管管束示意圖；b. 所用到的超長碳納米管的結構；c. 利用氣流聚焦法制備超長碳納米管管束的示意圖；d. 超長碳納米管在聚焦氣流下發生合并的模擬圖；e-i. 所制備的具有確定組成的超長碳納米管管束；j-k. 所制備的碳納米管管束的力學性質；l. 超長碳納米管管束與其他材料拉伸強度對比圖
對材料極致性能的追求一直是人類社會發展的重要推動力之一。材料的力學強度是材料眾多性能中被人類極為看重的一種性能。美國航空航天局（NASA）在2005年設置了一個“超強纖維挑戰競賽”（Strong Tether Challenge）并將其作為世紀挑戰，希望找到一種比強度（即單位質量強度）高達7.5GPa/(g/cm3)的宏觀超強纖維材料。遺憾的是，直到2011年這個競賽取消這個目標都沒能實現。目前已知宏觀材料的比強度都遠遠低于7.5GPa/(g/cm3)，比如鋼絲繩為0.05~0.33GPa/(g/cm3)，碳纖維為0.5~3.5GPa/(g/cm3)，高分子纖維為0.28~4.14GPa/(g/cm3)。此外，超強纖維在其他領域也有著極為廣闊的應用前景，例如高性能運動器材、防彈衣、大飛機、大型運載火箭、超級建筑等。
碳納米管被認為是目前發現的最強的幾種材料之一，其楊氏模量高達1TPa以上，拉伸強度高達100GPa以上（比強度高達62.5GPa/(g/cm3)），超過T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算研究表明，碳納米管是目前唯一可能幫助我們實現太空電梯夢想的材料。然而，當單根力學性能優異的碳納米管制備成宏觀材料時，其性能往往遠低于理論值。例如，已報道的碳納米管纖維的強度只有0.5~11.5 GPa（比強度0.3~7 GPa/(g/cm3) )，遠低于碳納米管理論強度（>100GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管均長度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉力作用下極易發生相互滑移，無法充分利用碳納米管的本征高強度。此外，碳納米管內的結構缺陷和雜亂取向等都會導致纖維強度下降。
相比之下，超長碳納米管具有厘米甚至分米長度并且具有完美結構，具有一致取向和接近理論極限的力學性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優勢。研究團隊通過采用原位氣流聚焦方法，可控地制備了具有確定組成、結構完美且平行排列的厘米級連續超長碳納米管管束，巧妙避免了上述限制因素。通過制備含有不同數量單元的超長碳納米管管束，定量分析其組成和結構對超長碳納米管管束力學性能的影響，建立了確定的物理/數學模型。研究發現，管束中碳納米管的初始應力分布不均勻，從而使得管束中的碳納米管無法同步均勻受力，進而導致了整體強度的下降，亦即“丹尼爾效應”。據此，本研究團隊提出了一種“同步張弛”的策略，通過納米操縱來釋放管束中碳納米管的初始應力，使其處于一個較窄的分布范圍，從而將碳納米管管束拉伸強度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。數學模型計算結果表明，對于含有無限數量的此類超長碳納米管形成的管束而言，在保證其長度連續、結構完美、取向一致以及初始應力分布均勻的前提下，其拉伸強度仍可逼近單根強度。
這項工作揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景，同時為發展新型超強纖維指明了方向和方法。審稿人評價說：“論文作者取得了一個具有里程碑意義的突破性進展，在世界上首次報道了接近單根碳納米管強度的碳納米管管束。這項工作具有極其深遠的影響力，它無疑會引起世界范圍內的廣泛關注”。該研究工作得到國家自然科學基金委員會和國家重大研究發展計劃資助。
論文共同第一作者為清華大學化工系2016級博士生白云祥、化工系青年教師張如范和航天航空學院力學系2017屆博士畢業生葉璇。論文共同通訊作者為清華大學化工系魏飛教授、張如范博士和航天航空學院李喜德教授。
過去十年間，魏飛團隊在超長碳納米管生長機理、結構可控制備、性能表征和應用探索方面開展了大量研究，并取得了一系列重要突破。團隊曾制備出單根長度達半米以上的碳納米管，并具有完美結構和優異性能，創造了世界紀錄。此外，團隊首次發現了宏觀長度碳納米管管層間的超潤滑現象，并實現了單根碳納米管宏觀尺度下的光學可視化及可控操縱。以上成果相繼發表在《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)《自然·通訊》（Nature Communications）《化學會評論》（Chemical Society Reviews）《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）《先進功能材料》（Advanced Materials）《美國化學學會·納米》（ACS Nano）《納米快報》（Nano Letters）等國際期刊上，引起了學術界的廣泛關注，為開展超長碳納米管制備超強纖維打下了基礎。航天航空學院李喜德教授團隊一直在微納米力學領域進行研究，在微尺度材料力學性能測量和表征方面開展了大量的研究工作，相關研究成果分別發表在《自然·通訊》(Nature Communication)、《物理評論快報》(Physical Review Letters)、《科學報告》(Scientific Reports)、《納米技術》(Nanotechnology)、《應用物理學快報》(Applied physics Letters)等國際期刊。
