来自另一个“世界”的碳材料
----碳纳米管的发展
北京理工大学材料学院结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室
一、神奇的纳米世界
你知道为什么荷叶上的露珠可以自由的滚动而不粘在叶片上吗？每天洗衣服很麻烦，我们可以制造出不会脏的衣服吗？在商场，经常有售货员推销自己的产品是纳米材料，质量非常好，那到底什么才是纳米材料呢？
中国有句谚语叫做“心细如发”，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达到了头发丝的程度。在古人的眼里，头发丝已经是特别细的东西的代表了，那么有比头发丝更细的东西吗。这时候我们引入纳米(nanometer)的概念1nm=10-9m，这相当于头发粗细的万分之一。1nm的物体放到鸡蛋上，好像把鸡蛋摆在地球上。日常生活中我们所说的纳米尺度在1-100nm之间。荷叶上的露珠之所以可以自由滚动，就是因为在荷叶表面有很多微小的凸起，这些凸起上又存在很多直径在200nm左右的小凸起，这种特殊凸起使得水滴和污泥在荷叶表面的接触面积特别小，因此水滴可以自由滚动，水滴滚动的同时又可以带走污泥，从而达到了“出淤泥而不染”的效果，这也为研发不用洗的衣服提供了可能。纳米材料由于其尺寸较小，在许多方面都表现出奇特的性质，比如，金属纳米颗粒对光的反射率很低，利用这个特性可以研发出隐形战斗机；鸽子之所以可以“千里归巢”，也是由于其体内存在纳米尺度的磁性颗粒，使鸽子在地磁场的导航下具有分辨方向的能力。
图1 水滴在荷叶表面上的电镜扫描示意以及F-117A隐形战斗机
二、纳米世界的碳材料
碳(carbon)是一种常见的非金属元素，它以各种形式广泛的存在于大气以及生物体内。金刚石，也就是我们所说的钻石的前身，就是由碳元素组成的，是自然界中天然存在的最坚硬的物质，而石墨，我们日常生活中铅笔的重要组成部分，质地却柔软易削，并且还具有一定的润滑性。碳的一系列化合物—有机物更是生物体重要的组成部分。
你知道为什么蜂巢、雪花以及显微镜下的细胞壁都是六边形结构吗？这是一个非常奇特的现象。首先我们考虑一个几何问题，如果想要把大小形状完全相同的一个单元紧密的排在同一个平面上面，那么我们只有三种可以采用的形状：等边三角形、正方形以及正六边形。而在面积相同的情况下，正六边形所需的边长更短。因此对于蜜蜂来说，蜂巢选择正六边形符合力学上的合理性和材料上的节省性。并且六边形相对于正方形和三角形，其最接近于圆形，周边离中心的距离相等，有着很稳定的结构。六边形结构在我们生活中也有比较广泛的应用，足球就是由正六边形拼接起来的，这样可以让足球结实并且受力均匀；水立方的外墙也是采用了大量的六边形进行拼接，既节省了材料，又赋予了建筑几何上的美感；六边形在光学领域同样也有广泛的应用，巨大的天文望远镜就是由若干的正六边形镜片拼接起来的。
图2 足球（左）以及水立方（右）
那么，当碳材料进入纳米世界中，再结合正六边的美感，又会碰撞出怎样绚烂的火花呢？1991年，在富勒烯研究的推动之下，日本电子公司的饭岛博士发现了一种更加奇特的碳结构，科学家们给它取了一个特别形象的名字--碳纳米管(Carbon nanotubes)。就在一年以后，实验室内规模化合成碳纳米管的方法由Ebbsen提出。利用放大倍数在10万倍至100万倍的电子显微镜下，科学家们惊奇的发现这种材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其组成，尺寸以及形状，科学家们形象地形容这种材料为“碳纳米管”。由于碳纳米管结构采用了正六边形的连接方式，其具有质量轻以及许多力学、电学和化学性质。
图3 碳纳米管示意图及电镜图片
实际上，追求精细与细微，是我们科技不断进步的一条主线路。从人类文明的发展历程来说，从旧石器时代、新石器时代，以及青铜时代、铁器时代，到蒸汽机火车轮船的出现，再到飞机以及计算机时代。从手工打造、铸造，到普通车床加工，再到数字车床加工，激光刻蚀。比如，家用小汽车或者农用拖拉机的发动机，一般有成千上万个微小零件，而火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证这些零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在于加工结构的精细化。我们常用的计算机与手机产品中芯片的加工精度一般都是纳米级。计算机芯片从100nm，小到60nm，直到目前的7nm，这些数字背后都是计算机产品不断升级的见证。我们的主人公---碳纳米管，尺寸可以减小到0.4-1nm。如果计算机加工的尺寸可以减小到这个程度，可以预见到计算机革命将会发生怎样的变化。三、碳纳米管能否走进人类生活
既然碳纳米管有这么多有趣的方面，那么碳纳米管仍是传说，还是已经走进大众身边。我们每天都用到的智能手机以及电脑，大家是否知道手机与电脑的电池里面几乎都掺杂了碳纳米管。碳纳米管的用途是增加导电性，降低内阻，继而可以延长锂离子电池的寿命。基于同样增加导电性的原理，现在热门的电动汽车的动力电池中也基本上掺杂了碳纳米管，可以持久的行驶在路上。除了锂电池，透明导电薄膜也有碳纳米管的用武之地。什么是透明导电薄膜，我们每天使用的智能手机就有一层，它的导电性可以使我们通过手指接触去控制屏幕，而透明性又让我们可以看到显示画面。目前使用的都是ITO材料。碳纳米管薄膜同时具有高的电子导电性和透光率，因此也可以做成透明导电薄膜，加上碳纳米管柔韧性非常好，还可以做成随意弯曲的薄膜。最近新发布的oled可折叠屏幕手机---三星galaxy fold以及华为mate x，获得了广泛的关注，但是本身成本较高，且折叠方式有限。如果碳纳米管可以成熟的应用到折叠屏幕中，那么未来像报纸一样的折叠式手机将会普及。在能源危机日益严峻的背景下，氢气是一种热门的新能源。但是氢气本身的密度很低，压缩成气体又非常困难且危险。碳纳米管的质量较轻，且具有中空结构，是良好的氢气储存材料。适当加热，氢气就可以缓缓释放出来。四、登月可以不借助宇宙飞船吗？
“明月几时有，把酒问青天”。这是中国人对月亮充满期待的遐想。能够像鸟儿一样飞起来，甚至飞到月亮上去，一直是人类的梦想。虽然月亮近在眼前，而实际上月球距离地球的距离是遥远的38万公里。这样仅靠梦想是不够的，还需要切实可行的技术方式。现在探月的主要方式是以火箭搭载卫星的方式，进行探月卫星的安置。像长征3号这样的捆绑式火箭，运载速度是属于比较快的，但可以运载的卫星不过就是几吨重。所以，可以想象前苏联组建的太空空间站，费了多大的劲。重达几百吨的太空站却需要造价高昂的火箭跑上几十趟才可以完成。所以到现在为止，人类在地球上建立永久居住地的梦想，仍然只是梦想。也就谈不上就像最近的电影《流浪地球》中提到的，当地球环境陷入危机时，以巨大的推动力将地球推到外太空去。当然，目前的技术困难并不能阻止科学家们畅想其他的交通方式登向月球。科学家们借鉴通过电梯登上高楼的方式，能不能在地球和月球之间搭载类似电梯的通道，这样就可以将所需要的货物源源不断的运输到月球上。紧接着问题接踵而来，搭建这么长的梯子，需要什么样的材料是关键问题。科学家们经过计算发现，能够跨越38万公里，而承受自身重量不被拉断的材料就是本文的主人公，碳纳米管。碳的质量非常轻，再加上碳纳米管特殊的结构，就拥有最坚固的结构和耐受力。五、碳纳米管会影响人类健康吗？
现在工业生产中碳纳米管质量非常轻，最轻的产品密度仅仅是空气的3倍。这样轻的产品，显而易见，可以像病菌一样漂浮在空气中。同时又非常小，所以容易像花粉一样，被吸入体内。并且纳米材料经过皮肤渗入体内是否会产生不利影响尚不明确，但实验证明碳纳米管到裸露小白鼠会造成皮肤过敏。实验证明，碳纳米管经过空气吸入会导致肺癌的形成。2017年，世界卫生组织将碳纳米管列入致癌物质名单中。然而有趣的是，人们在烤制面包以及炒菜中，都发现了碳纳米管的影子。从这个方面看，大家吃面包以及炒菜以及许多年了，只要剂量不大，看来人体还是可以处理的。六、我们还能用碳纳米管做什么？
目前，关于碳纳米管的研究与使用依然局限在实验室里面，距离真正的商业生产还需要比较长的时间。但无论如何，这个吸引科学家眼球的材料必然会在我们生活中日益普及。 毛主席说过，年轻人是早上八九点钟的太阳，世界是属于你们的。同样的道理，科学的传承，必然将碳纳米管以及其他材料的研究传承给青少年。或许有一天，我们终究可以像乘坐电梯一样登上月球旅行。
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
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超材料——真的能让你来无影去无踪吗？
当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料
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