拉麵中獲得的靈感,竟能製作出“飛刃”般的超強碳納米管管束?

科學人2018-06-11 12:09:48

作者:蔡導

編輯:婉珺


開端


讓我們將時鐘撥回到2015年。


正版素材來源:圖蟲創意


剛剛加入清華化工系魏飛教授團隊的白雲祥拿到了一個神奇的課題:用管做成,並探究其是否具有接近甚至達到單的理論機械強度。


此時的白雲祥還是一個高分子材料與工程專業的四年級本科生,跨專業到化學工程與技術攻讀博士。突然加入新環境本已經十分陌生,還是完全沒接觸過的納米以及力學領域,白雲祥只能硬著頭皮啃英文文獻做起。


他告訴自己:既然選擇了這條路,跪著也要把它走完。並寫了幾句話來激勵自己。


《微晨詠志》

茫茫紫禁殿,微微清華園。

百年風雨路,九州皆俊賢。

神舟勇奪魁,雙彈堪懾天。

執念苦研走,奏捷謂何難?



碳納米管?碳納米管管束?


白雲祥是我的師弟,3年前跨專業加入了我們的課題組,準備成為一名化工專業的博士生。在過去的三年中,我見證了他從對課題一頭霧水,一步步走到成功發表論文。


作為組裡的中高年級博士生,我經常被問到一個問題:什麼是碳納米管?


雖然我自己不做這方面的研究,但被問得多了,我也積累出了回答的套路。我往往會先反問一個看似毫不相關的問題:


你看過《三體》麼?


《三體》是從一名納米材料科學家汪淼的視角展開的。我經常半開玩笑地說,汪淼的原型就是我導師魏飛老師,因為小說中汪淼的超強線性材料“飛刃”,原型應當就是碳納米管。


三體中“飛刃”被用來執行代號“古箏行動”的祕密軍事行動,這種極細的絲狀納米材料將叛軍船隻“審判日”號切割成了條狀。圖片來源:COLTZ 繪。


碳納米管最引人矚目的一點就是具有超高機械強度和很小的密度。如果人類想要建立前往太空的電梯,碳納米管是唯一一種能夠跨越如此長的距離而不被自身重量拉斷的材料。


而從實驗室到實用的過程中,將碳納米管組裝成管束或者纖維就是非常重要的一環


碳納米管的理論斷裂強度超過100 GPa(作為對比,目前能實現工業化量產的典型碳纖維——T800型碳纖維的斷裂強度為5 GPa左右),如果碳納米管管束或者纖維能發揮出理論強度的八成功力,比如達到80 GPa,就足以超越現有的碳纖維10倍還多了。


但是目前,只要將碳納米管做成管束或者纖維,其機械性能就會急劇下降,完全不能與單根碳管相比,原因可能源於管束或纖維的缺陷、取向、不連續性等各種各樣的奇怪問題。這些問題一直阻礙著碳納米管在力學領域的實用化進程。


超長碳納米管管束示意圖,每根超長碳納米管的直徑大約在2納米左右,頭髮絲的萬分之一粗。圖片來源:參考文獻1


第一個難題:“超長”


與碳納米管打交道是我們課題組的專長。在這之前,我們組就合成了世界最長碳納米管[2]。還觀測到多層碳納米管內層抽出來的過程中,內外層之間沒有摩擦——這被稱為超潤滑現象[3]。此外,我們還在世界上首次實現了碳納米管的年產千噸級製備,用化學工程的思想把碳納米管從比黃金還貴的玩意成功搞成了白菜價。


但是,不同於已經年產千噸級的聚團狀或者垂直陣列狀碳納米管,超長碳納米管的製備條件極為苛刻。超長碳納米管的生長過程受到非常多種因素的影響,包括原料氣純度及配比、反應溫度、反應壓力、停留時間、水蒸氣含量、氣流均勻性、催化劑設計、反應基底等等。另外,超長碳納米管的產率也極低。因此它的可控制備方法一直被公認為是碳納米管研究領域中的重大難題,對於沒有相關背景的師弟而言更是一項不小的挑戰。


剛開始的一段時間裡,白雲祥怎麼樣都摸不透碳納米管的生長條件,那麼多影響因素,很多時候甚至都不知道是一個出了問題還是哪幾個同時出了問題。由於反應爐要加熱到1000℃以上,反應之後降溫的過程很慢,所以每天滿打滿算只能做兩次條件實驗。如此一來實驗成功看上去簡直遙遙無期,這令他有了很強的挫敗感。


好在功夫不負有心人,經歷兩個多月的努力,在課題組師兄師姐的幫助下,白雲祥終於總結出了調節超長碳納米管生長條件的規律。但是這只是最基本的生長超長碳納米管水平陣列的製備,這之後才是最關鍵的問題:怎麼樣才能在看不見摸不著的情況下將它們從一根根的平行排列的形貌給併到一起形成管束呢?


第二個難題:組成管束


他設想了很多種方案,最終決定採用一種叫做原位氣流聚焦的方式進行實驗。可是實際實施起來遠比他想象的要困難得多,在剛開始嘗試合成管束的幾個月時間裡面,他不是發現超長碳納米管長不出來,就是發現即使長出來了也無法按照自己的設想合併成為管束。


眼看就要離新年除夕只有幾天了,大家幾乎都已經回家過年,他的畢業設計的第一步管束製備實驗卻還是一直處於失敗狀態幾乎毫無進展。這時候他甚至有點擔心自己能否順利畢業拿到學士學位了。


移動恆溫區法生長碳納米管的實驗裝置,發明者張如範為本文通訊作者之一


就在大年二十九那一天,白雲祥終於找到了控制碳納米管管束合成的關鍵性規律條件。那一刻,他激動萬分。緊接著,他興奮地去測量了製備出的管束的力學性能,卻發現力學性能隨著管束根數的增加呈現下降的趨勢,這和想象中的結果完全不一樣。


第三個難題:向拉麵學習?


鬱悶的白雲祥把這個結果告訴了導師魏飛,而魏老師則從失敗的數據中敏銳地發現,這個結果源於管束中的每根碳納米管無法同時均勻受力。


這種情況常見於平行鋼絲拉索。


圖為中國星海灣跨海大橋懸索主纜,畫圈的地方就是平行鋼絲拉索了。正版素材來源:圖蟲創意


提了升拉索整體的力學性能,在平行鋼絲拉索投入使用之前,需要通過調節保證每根鋼絲受到的力相同,否則就會出現有的鋼絲受力比其他鋼絲大的情況;而一旦受力較大的鋼絲斷裂,它原本承擔的力就會轉嫁到其他鋼絲身上,從而惡化平行鋼絲拉索整體的力學性能。這在結構力學中被稱為Daniels效應。


魏老師認為這種Daniels效應同樣存在於碳納米管管束中,並且可以通過類似的方法調整來提升管束的力學性能。於是,師弟決定採用類似的辦法來處理碳納米管束,用類似拉麵的手段對其進行“同步張弛”調整處理[1]


碳納米管束處理的示意圖,先剪開,然後使用類似“拉麵”的手段來回拉扯進行調整。圖片來源:參考文獻1


果然,經過處理之後,碳納米管管束的力學性能有了大幅度的提升,並最終成功論證了製備出的超長碳納米管管束的拉伸強度已經超過了任何已知的工程纖維材料


在這個過程中,白雲祥師弟也順利本科畢業,正式成為我們組的博士研究生。


之後又經過兩年的撰寫、修改、投稿、再修改的過程,今年5月,白雲祥的論文終於在《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)上發表。


尾聲


回望這三年,也許會覺得這個工作並沒有多麼的困難,但前提是擁有我們課題組在碳管領域的積累、豐富的經驗、敏銳的觀察和一點點運氣。然而對於當時還沒有任何積累的白雲祥師弟來說,這是一個相當有挑戰性的課題。好在師弟踏實靠譜,能夠逢山開路遇水搭橋,解決了一個又一個細節,才最終解決了這一工程材料領域的重要問題。


然而當我問師弟,覺得這接近三年的工作終於發表心中有什麼感受時,師弟這樣回答了我:能成功是多方面的原因,清華的多學科交叉研究優勢和課題組長期的積累;來自各方的幫助;以及好的運氣。我想特別感謝李喜德教授和葉璇師姐在力學測量上提供的幫助,張如範老師以及組內師兄師姐們的耐心指導,以及我的導師魏飛老師。




編輯:婉珺

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參考文獻:

[1]Bai, Y.; Zhang, R.; Ye, X.;Zhu, Z.; Xie, H.; Shen, B.; Cai, D.; Liu, B.; Zhang, C.; Jia, Z.; Zhang, S.;Li, X.; Wei, F. Nature Nanotechnology 2018.

[2]Zhang, R.; Zhang, Y.; Zhang,Q.; Xie, H.; Qian, W.; Wei, F. ACS Nano 2013, 7,6156-6161.  

[3]Zhang, R.; Ning, Z.; Zhang, Y.; Zheng, Q.;Chen, Q.; Xie, H.; Zhang, Q.; Qian, W.; Wei, F. Nature Nanotechnology 2013,8, 912-916.



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