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中国颗粒学会副理事长魏飞教授团队制备出世界最长碳纳米管

来源:点击:10233发布时间:2015-09-19

近日,中国颗粒学会副理事长、清华大学化工系教授魏飞带领的化工系与微纳米力学中心(CNMM)联合研究团队成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管,这也是目前所有一维纳米材料长度的最高值。相关工作于6月27日以《基于Schulz-Flory分布的半米长碳纳米管制备》(Growth of Half-Meter Long Carbon Nanotubes Based on Schulz-Flory Distribution)为题在线发表在国际著名期刊《美国化学会纳米》(ACS Nano)上,并被美国纳米技术与科学网Nanowerk邀请作为重点工作进行报道。文章第一作者为清华化工系博士生张如范,共同通讯作者为魏飞和微纳米力学中心张莹莹副研究员。

图为超长碳纳米管生长机制、超长碳纳米管照片、长度分布、拉曼光谱和应力应变曲线。

碳纳米管是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一,有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。其单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。这种优异的力学性能其在超强纤维、防弹衣等领域有着广阔的应用前景。十几年前,《科学美国人》杂志曾提出一种诱人的梦想:若在地球与月亮之间搭建一座天梯,跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料,只有碳纳米管。显然,实现上述梦想的前提是批量制备出具有宏观长度、并且具有理论力学性质的碳纳米管,单根长度达到米级甚至公里级以上。

为了实现这一梦想,全世界的科学家就制备长的碳纳米管进行了大量艰辛探索。清华机械系、物理系、化工系先后制成了20cm级别长度的碳纳米管束(碳管不连续)或单根碳纳米管,始终处于世界领先水平。然而,自从2010年清华化工系制备出20厘米长的单根碳纳米管以来,提高其长度就越发困难,国际上再也没有新的突破。魏飞教授意识到需要进行制备方法论的重新审视,他把超长碳纳米管看作一种一维线性高分子,巧妙地把描述高分子分子量分布的Schulz-Flory(舒尔玆-弗洛里)机理用来描述碳纳米管长度增加的过程。该团队首次研究发现,在Schulz-Flory机理描述下,碳纳米管的催化剂活性概率起到了最关键的作用。对于碳纳米管的生长而言,其高温生长过程中催化剂的失活是一个不可逆的规律,从而限制了碳纳米管的长度。并且催化剂的失活,长的碳纳米管的密度急剧下降。因此,尽可能地提高其催化剂活性概率是进一步提高碳纳米管的长度的唯一途径。该团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势,在制造设备、制备工艺方面进行了大量改进和创新,首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上,终于成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管,创造了新的世界纪录。

值得指出,这类超长碳纳米管拥有长度、生长速度快与结构超完美的多种重诱人特性,从而具有意想不到的机械性能。该团队前期两次在《先进材料》(Advanced Material)和《材料化学》(Chemistry of Materials)发表文章,报道了其厘米级长程完美的原子结构、目前世界上最快的生长速率、以及接近理论最高值的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。多次被《自然》中国(Nature China),自然出版集团亚洲材料(NPG Asia Materials)等网站重点报道。

魏飞指出,“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度, 目前我们正在从事一米以上碳纳米管的制备,下一步我们希望能够制备出公里级以上长度并具有宏观密度的碳纳米管。这些工作将为太空天梯的制备开启一线曙光。”

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