化学

拉面中获得的灵感,竟能制作出“飞刃”般的超强碳纳米管管束?

蔡导 发表于  2018-06-11 11:42

开端

让我们将时钟拨回到2015年。

刚刚加入清华化工系魏飞教授团队的白云祥拿到了一个神奇的课题:用超长碳纳米管做成管束,并探究其是否具有接近甚至达到单根碳纳米管的理论机械强度。

此时的白云祥还是一个高分子材料与工程专业的四年级本科生,跨专业到化学工程与技术攻读博士。突然加入新环境本已经十分陌生,还是完全没接触过的纳米以及力学领域,白云祥只能硬着头皮啃英文文献做起。

他告诉自己:既然选择了这条路,跪着也要把它走完。并写了几句话来激励自己。

《微晨咏志》

茫茫紫禁殿,微微清华园。

百年风雨路,九州皆俊贤。

神舟勇夺魁,双弹堪慑天。

执念苦研走,奏捷谓何难?

碳纳米管?碳纳米管管束?

白云祥是我的师弟,3年前跨专业加入了我们的课题组,准备成为一名化工专业的博士生。在过去的三年中,我见证了他从对课题一头雾水,一步步走到成功发表论文。

作为组里的中高年级博士生,我经常被问到一个问题:什么是碳纳米管?

虽然我自己不做这方面的研究,但被问得多了,我也积累出了回答的套路。我往往会先反问一个看似毫不相关的问题:

你看过《三体》么?

《三体》是从一名纳米材料科学家汪淼的视角展开的。我经常半开玩笑地说,汪淼的原型就是我导师魏飞老师,因为小说中汪淼的超强线性材料“飞刃”,原型应当就是碳纳米管。

三体中“飞刃”被用来执行代号“古筝行动”的秘密军事行动,这种极细的丝状纳米材料将叛军船只“审判日”号切割成了条状。图片来源:COLTZ 绘。

碳纳米管最引人瞩目的一点就是具有超高机械强度和很小的密度。如果人类想要建立前往太空的电梯,碳纳米管是唯一一种能够跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料。

而从实验室到实用的过程中,将碳纳米管组装成管束或者纤维就是非常重要的一环

碳纳米管的理论断裂强度超过100 GPa(作为对比,目前能实现工业化量产的典型碳纤维——T800型碳纤维的断裂强度为5 GPa左右),如果碳纳米管管束或者纤维能发挥出理论强度的八成功力,比如达到80 GPa,就足以超越现有的碳纤维10倍还多了。

但是目前,只要将碳纳米管做成管束或者纤维,其机械性能就会急剧下降,完全不能与单根碳管相比,原因可能源于管束或纤维的缺陷、取向、不连续性等各种各样的奇怪问题。这些问题一直阻碍着碳纳米管在力学领域的实用化进程。

超长碳纳米管管束示意图,每根超长碳纳米管的直径大约在2纳米左右,头发丝的万分之一粗。图片来源:参考文献1

第一个难题:超长

与碳纳米管打交道是我们课题组的专长。在这之前,我们组就合成了世界最长碳纳米管[2]。还观测到多层碳纳米管内层抽出来的过程中,内外层之间没有摩擦——这被称为超润滑现象[3]。此外,我们还在世界上首次实现了碳纳米管的年产千吨级制备,用化学工程的思想把碳纳米管从比黄金还贵的玩意成功搞成了白菜价。

但是,不同于已经年产千吨级的聚团状或者垂直阵列状碳纳米管,超长碳纳米管的制备条件极为苛刻。超长碳纳米管的生长过程受到非常多种因素的影响,包括原料气纯度及配比、反应温度、反应压力、停留时间、水蒸气含量、气流均匀性、催化剂设计、反应基底等等。另外,超长碳纳米管的产率也极低。因此它的可控制备方法一直被公认为是碳纳米管研究领域中的重大难题,对于没有相关背景的师弟而言更是一项不小的挑战。

刚开始的一段时间里,白云祥怎么样都摸不透碳纳米管的生长条件,那么多影响因素,很多时候甚至都不知道是一个出了问题还是哪几个同时出了问题。由于反应炉要加热到1000℃以上,反应之后降温的过程很慢,所以每天满打满算只能做两次条件实验。如此一来实验成功看上去简直遥遥无期,这令他有了很强的挫败感。

好在功夫不负有心人,经历两个多月的努力,在课题组师兄师姐的帮助下,白云祥终于总结出了调节超长碳纳米管生长条件的规律。但是这只是最基本的生长超长碳纳米管水平阵列的制备,这之后才是最关键的问题:怎么样才能在看不见摸不着的情况下将它们从一根根的平行排列的形貌给并到一起形成管束呢?

第二个难题:组成管束

他设想了很多种方案,最终决定采用一种叫做原位气流聚焦的方式进行实验。可是实际实施起来远比他想象的要困难得多,在刚开始尝试合成管束的几个月时间里面,他不是发现超长碳纳米管长不出来,就是发现即使长出来了也无法按照自己的设想合并成为管束。

眼看就要离新年除夕只有几天了,大家几乎都已经回家过年,他的毕业设计的第一步管束制备实验却还是一直处于失败状态几乎毫无进展。这时候他甚至有点担心自己能否顺利毕业拿到学士学位了。

移动恒温区法生长碳纳米管的实验装置,发明者张如范为本文通讯作者之一

就在大年二十九那一天,白云祥终于找到了控制碳纳米管管束合成的关键性规律条件。那一刻,他激动万分。紧接着,他兴奋地去测量了制备出的管束的力学性能,却发现力学性能随着管束根数的增加呈现下降的趋势,这和想象中的结果完全不一样。

第三个难题:向拉面学习?

郁闷的白云祥把这个结果告诉了导师魏飞,而魏老师则从失败的数据中敏锐地发现,这个结果源于管束中的每根碳纳米管无法同时均匀受力。

这种情况常见于平行钢丝拉索。

图为中国星海湾跨海大桥悬索主缆,画圈的地方就是平行钢丝拉索了。正版素材来源:图虫创意

提了升拉索整体的力学性能,在平行钢丝拉索投入使用之前,需要通过调节保证每根钢丝受到的力相同,否则就会出现有的钢丝受力比其他钢丝大的情况;而一旦受力较大的钢丝断裂,它原本承担的力就会转嫁到其他钢丝身上,从而恶化平行钢丝拉索整体的力学性能。这在结构力学中被称为Daniels效应。

魏老师认为这种Daniels效应同样存在于碳纳米管管束中,并且可以通过类似的方法调整来提升管束的力学性能。于是,师弟决定采用类似的办法来处理碳纳米管束,用类似拉面的手段对其进行“同步张弛”调整处理[1]

碳纳米管束处理的示意图,先剪开,然后使用类似“拉面”的手段来回拉扯进行调整。图片来源:参考文献1

果然,经过处理之后,碳纳米管管束的力学性能有了大幅度的提升,并最终成功论证了制备出的超长碳纳米管管束的拉伸强度已经超过了任何已知的工程纤维材料

在这个过程中,白云祥师弟也顺利本科毕业,正式成为我们组的博士研究生。

之后又经过两年的撰写、修改、投稿、再修改的过程,今年5月,白云祥的论文终于在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表。

尾声

回望这三年,也许会觉得这个工作并没有多么的困难,但前提是拥有我们课题组在碳管领域的积累、丰富的经验、敏锐的观察和一点点运气。然而对于当时还没有任何积累的白云祥师弟来说,这是一个相当有挑战性的课题。好在师弟踏实靠谱,能够逢山开路遇水搭桥,解决了一个又一个细节,才最终解决了这一工程材料领域的重要问题。

然而当我问师弟,觉得这接近三年的工作终于发表心中有什么感受时,师弟这样回答了我:能成功是多方面的原因,清华的多学科交叉研究优势和课题组长期的积累;来自各方的帮助;以及好的运气。我想特别感谢李喜德教授和叶璇师姐在力学测量上提供的帮助,张如范老师以及组内师兄师姐们的耐心指导,以及我的导师魏飞老师。(编辑:婉珺)

参考文献:

  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.

热门评论

  • 2018-06-11 22:57 5美金

    即使语言不同,也无法阻止人类建造巴别塔。

    [14] 评论
  • 2018-06-13 19:29 1987zzm
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    应该是指单位强度,一根筷子吊10斤才断,你以为10根可以吊100斤,结果发现10根只能吊15斤,从100斤降到15斤,就是所谓的“力学性能随着管束根数的增加呈现下降的趋势” 不知道我这样理解是不是对的

    [4] 评论

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全部评论(17)
  • 1楼
    2018-06-11 13:44 天降龙虾
    引用文章内容:他兴奋地去测量了制备出的管束的力学性能,却发现力学性能随着管束根数的增加呈现下降的趋势

    一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    [1] 评论
  • 2楼
    2018-06-11 16:48 在雨夜
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    一人是龙三人是虫

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-06-11 21:12 AI油泳的鹰 勘查技术与工程专业,编程爱好者

    RAmen!

    [0] 评论
  • 4楼
    2018-06-11 21:35 汉尼拔wang
    引用文章内容:这时候他甚至有点担心自己能否顺利毕业拿到学士学位了。

    本科生就做这么高大上的东西,OMLADYGAGA!

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-06-11 22:57 5美金

    即使语言不同,也无法阻止人类建造巴别塔。

    [14] 评论
  • 6楼
    2018-06-12 17:38 三体-海人

    古筝一曲肝肠断,天涯何处觅知音。

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-06-12 19:00 heliumleobob
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    和这个经典模型不一样的地方是,折筷子的力也变成了十倍

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  • 8楼
    2018-06-12 19:27 冰煌笑雪

    本科毕业论文就这么高大上了?

    [0] 评论
  • 9楼
    2018-06-13 09:03 菜鸟菜菜鸟
    引用@冰煌笑雪 的话:本科毕业论文就这么高大上了?

    后来的人还怎么毕业

    [2] 评论
  • 10楼
    2018-06-13 09:35 飞面神教

    一切荣耀归于面神,RAMEN!

    [0] 评论
  • 11楼
    2018-06-13 19:29 1987zzm
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    应该是指单位强度,一根筷子吊10斤才断,你以为10根可以吊100斤,结果发现10根只能吊15斤,从100斤降到15斤,就是所谓的“力学性能随着管束根数的增加呈现下降的趋势” 不知道我这样理解是不是对的

    [4] 评论
  • 12楼
    2018-06-14 08:37 楚狂歌丶
    引用@1987zzm 的话:应该是指单位强度,一根筷子吊10斤才断,你以为10根可以吊100斤,结果发现10根只能吊15斤,从100斤降到15斤,就是所谓的“力学性能随着管束根数的增加呈现下降的趋势” 不知道我这样理解是不是对的

    我认为是

    [0] 评论
  • 13楼
    2018-06-14 14:53 燕子篇
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???

    微观和宏观的层面,怎么能这样类比

    [0] 评论
  • 14楼
    2018-06-18 00:02 霜焰
    引用@天降龙虾 的话:一根筷子怎么都折不断,十双筷子轻松全折断???


    一根都折不断还组什么管束。


    文中的情况是一根咬咬牙能折断,十双还是咬咬牙能折断。

    [0] 评论
  • 15楼
    2018-06-18 20:28 拼音佳佳2

    毛利元就:

    元春,隆景,辉元,我不行了...

    然后他拿出了祖传神器:这是我祖上偶遇仙人(穿越到过去的未来人)送予的宝物:碳纳米管...别看很细,可比箭杆结实多了...来,你试着掰断它...

    吉川元春接过碳纳米管,用力掰,嗯,确实很结实,不容易断,然后再发力,大喝一声,终于是断了...

    毛利元就:嗯,可惜,这宝物有个问题还没解决好..10根管子并在一起,你再试试...

    吉川元春试了试,好像确实结实了一些,然后小早川隆景上来帮忙,结果就成功掰断...

    所以,如果你们三个兄弟一心,解决这个大难题,肯定能立足乱世,让家族兴旺起来的啊!!!

    (这就是历史上有名的三矢之誓?)

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  • 16楼
    2018-06-21 10:28 tychoon

    我想到了飞天面条教……

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  • 17楼
    2018-06-28 14:08 嘛哩嘛哩

    刚好看过三体

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蔡导
蔡导 清华大学化工系 博士

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