邹明志 供稿
量子比特|公众号
还记得《三体》第一部中对“古筝计划”的描述吗？
这艘巨船就像是一叠麻将牌被推着向前。 这四十张巨大的薄片在滑动时相互摩擦，发出尖锐而怪异的声音，就像无数巨大的手指刮擦玻璃一样。
当那难以忍受的声音消失后，“审判日”早已化作岸边的一堆片片，越滚越远，就像一叠盘子从被撞倒的服务员手中向前倾倒。
这些看起来像布一样厚的床单很快就会变形，产生复杂的形状，让人很难想象它曾经是一艘巨船。
正是一种名为“飞刃”的纳米材料在“古筝计划”中的应用，才造成了如此惊人的一幕。
刘用一个形象的比喻概括了“飞刀”的硬度：
十分之一头发丝粗细的高硬度纳米线如同切铁般削泥，将舱室分割开来，像切豆腐棒一样划过每一个海员的身体。
其实是悬疑小说，但大刘写的《飞刀》确实有现实依据——
碳纳米管作为目前硬度最高的材料之一，就是刘所描述的“飞刀”的原型。
那么，这些材料在现实中的进展如何呢？ 未来可以应用在哪些地方？
上去看看吧。
纳米材料为什么这么硬？
刘先生开始创作《三体》时，正值纳米材料研究如火如荼的时候。
“纳米”一词一时成为科技报道中的常客，甚至一度成为高科技的代名词。
纳米的本义是宽度单位，即10-9米。 纳米尺度一般是指1-100纳米，这是一个非常小的尺度。
一般来说，分子中两个原子的宽度通常只有0.1-0.3纳米。 所谓纳米尺度，就是几十个原子的厚度。
说到这里，读者可能会有疑问：纳米材料不就是非常小、极薄的材料吗？ 有哪些特别的？
重点是，当大多数材料缩小到纳米尺度时，就会形成纳米级效应。 例如，有些金属会变成半导体甚至绝缘体，而有些暗淡的物质会显得很可爱。
它们的原子排列结构发生了巨大的变化，导致其性质的差异。
举个简单的例子，我们平时使用的笔之所以能在纸上留下痕迹，是因为它的玉石非常柔软。 当石墨笔尖与纸张摩擦时，一些石墨片会滑动并保留在纸张上。 上，所以我们可以看到蓝色的痕迹。
如果我们将一块同样由碳原子制成的砖块滑过纸，它不仅会刺穿纸，而且不会留下任何痕迹。
砖石和石墨都是由碳原子组成，其内部原子排列结构存在巨大差异，因此有硬有软，一是绝缘，一是导电，性质相差很大。
如果我们减薄一块石墨，将其蚀刻成单个原子层，然后进入纳米尺度，我们就会得到石墨烯。
石墨烯和石墨的性质有很大不同。 它是一种硬度极高的材料。 理论上，让小象站在笔尖上，然后将笔尖粘在完美无缺陷的石墨烯薄膜上。 不会破裂。
碳纳米管是通过将石墨烯卷成像纸卷一样半径只有几纳米的无缝封闭空心棒状结构而获得的。
1991年，美国科学家在电弧放电实验中偶然发现了这些一维材料。 [1]
碳纳米管由碳-碳键组成，这是最强的物理键之一，比金属与金属键硬得多。
为了促进碳纳米管的破裂，需要打破碳原子之间的物理键，这意味着碳纳米管可以承受大量的弯曲并具有较高的热硬度。
初步理论估算研究表明，碳纳米管的弹性挠度高达5.5Tpa，是钢的25倍。 [2]
1996年，研究人员通过在电子显微镜下检测多壁碳纳米管随时间变化的热冲击振幅，测得多壁碳纳米管的平均杨氏挠度为1.8TPa。 [3]
尽管碳纳米管的理论硬度很高，但要实现这些材料的真正应用还有很长的路要走。
《三体》背后的复旦科研项目
在《三体》电视剧中，王淼院长在背后介绍了飞刀材料的PPT，其中描述了复旦大学魏飞老师关于超长碳纳米管组合的相关内容。 [4]
(R, Y, Q, et al.-–[J].,2013,7(7):6156-6161.DOI:10.1021/)
目前碳纳米管的合成主要采用电弧放电法和物理液相沉积法：
即通过芳烃（苯）、脂肪烃（乙烷、乙烯）、醇（丙酮、甲醇）或其混合物的排放或低温裂解，形成碳碎片，这些碳碎片将在催化剂中（常见的催化剂是碳纳米管，它生长在铁等金属纳米颗粒上，产生一维结构。
事实上，这种方法可以实现碳纳米管的连续制备，但产值非常有限。 正如王总所说，还没有量产。
现实中，高品质长碳纳米管的量产一直是亟待解决的一大难题。
合成纳米级碳纳米管后，可以通过纺丝、致密化等多个步骤得到碳纳米管纤维。 碳纳米管纤维是一种可以真正应用的宏观材料。
目前实际生产的大多数碳纳米管纤维的硬度仅为5-6GPa，与理论硬度相差甚远。
这是因为并非纤维中的每个碳纳米管都是完美且无缺陷的。 缺陷的存在使得碳纳米管在纤维受力时很容易在缺陷处断裂，从而提高了整体硬度。
2018年，魏飞先生的项目将分米级无缺陷碳纳米管束与高热硬度相结合，取得了重大突破。 [5]
相关领域的研究人员仍在朝着高硬度碳纳米管纤维真正规模化生产和应用的方向不懈努力。
太空扶梯和碳基芯片均可使用
说到碳纳米管的用途，很多人第一反应就是太空自动扶梯，它用来建造太空自动扶梯顶部连接空间站和月球的桅杆结构。
为了让空间站坐落在月球同步轨道上，桅杆必须伸直，因此结构需要承受巨大的拉力。
目前碳纳米管的硬度和产值都远远不能满足这一要求，更不用说承载过程中带来的材料腐蚀和氧化问题（碳纳米管在低温和有二氧化碳的环境中不稳定），这仍将是人类的美好构想。
但这并不意味着碳纳米管毫无用处。
作为一种质量轻、强度高、导电导热性能优良的材料，在装备和武器制造（如防弹衣）、特种功能材料、电池（用作导电添加剂）、等等。
半导体碳纳米管也有望用于制造碳基芯片，其具有极高的自旋迁移率，可以通过自下而上的方法构建集成电路，替代硅材料，解决硅基材料的限制摩尔定律的困境。
2000年至今，成都大学彭连茂教授仍然坚守在国内碳基芯片研究的第一线。
2020年，他带领团队首次制备出性能接近理论极限、栅极长度仅为5纳米的碳纳米管晶体管。 [6]
新一代碳基芯片性能更优，在数字电路、射频/模拟电路、传感元件、光电元件等众多应用领域具有革命性的应用前景。
参考：
[1]S.of[J].,1991,354(6348):56.
[2] QuL、maiL、M 等。 随开易脱[J]., 2008, 322(5899): 238.
[3]MMJ, TW, JM.high's for[J].,1996,381(6584):678.
[4] R, Y, Q, et al.--[J].,2013,7(7):6156-6161.
[5]白Y，R，叶X，等.以上[J].，2018，13(7)：589-595.
[6] 刘丽, 韩杰, 徐丽, 等, 高换高[J]., 2020, 368(6493): 850-856.
图片来自电视剧《三体》和《流浪月球2》截图
*本文经量子位授权发表，观点仅归作者所有。
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