劇版《三體》曝光清華“飛刃”成果：現實里長這樣，太空電梯和碳基芯片都能用

蕭簫 2023-02-16 16:05:22 來源：量子位

鄒名之 投稿
量子位 | 公眾號 QbitAI

還記得《三體》第一部中，關于“古箏計劃”的這段描寫嗎？

這艘巨輪像一疊被向前推開的撲克牌，這四十多個巨大的薄片滑動時相互摩擦，發出一陣尖利的怪音，像無數只巨指在劃玻璃。

在這令人無法忍受的聲音消失后，“審判日”號已經化做一堆岸上的薄片，越靠上前沖得越遠，像從一個絆倒的服務生手中向前傾倒的一摞盤子。

那些薄片看上去像布片般柔軟，很快變形，形成了一堆復雜的形狀，讓人無法想象它曾是一艘巨輪。

造成這般驚人景象的，正是“古箏計劃”中對于一種名叫“飛刃”納米材料的應用。

大劉以形象的比喻，描繪了“飛刃”的強度：

頭發絲十分之一粗細的高強度納米絲削鐵如泥、分割船體，如同切豆腐一樣掠過每一個船員的身體。

雖然是科幻小說，但大劉筆下的“飛刃”，確實有現實依據可考——

作為目前強度最高的材料之一，碳納米管正是大劉筆下“飛刃”的雛形。

那么，現實中的這種材料究竟進展如何？未來又能應用于什么地方？

一起來看看。

納米材料強度為何這么高？

大劉開始寫《三體》的時候，正是納米材料研究風頭正盛之時。

“納米”這個詞一時間成為了科技報道中的常客，甚至一度成為高科技的代名詞。

納米本意是一個長度單位，即10-9米，納米尺度通常是指1-100納米，這是一個非常小的尺度。

一般來說，分子中兩個原子的間距一般僅為0.1-0.3納米，所謂納米尺度，其實就是數十個原子排列的長度。

說到這，讀者可能會有疑問：那納米材料不就是特別小、特別細的材料嗎，有什么特別的呢？

重點在于大部分材料在縮小到納米尺度時，都會產生納米尺寸效應，例如一些金屬會變成半導體、甚至絕緣體，而一些不活潑的物質會變得非常活潑。

它們的原子排列結構發生了劇烈的變化，導致它們的性質也出現了差異。

舉一個簡單的例子，我們平常使用的鉛筆之所以能在紙上留下痕跡，是因為它質地很軟，石墨筆尖與紙張發生摩擦時，一些石墨片層發生了滑移，留在了紙上，所以我們能看到黑色的痕跡。

如果我們用同樣由碳原子組成的鉆石在紙上滑動，除了劃破紙張，啥也不會留下。

鉆石和石墨都是由碳原子組成，但是它們內部的原子排列結構存在巨大差異，所以它們一硬一軟，一個絕緣，一個導電，性質差異巨大。

如果我們將石墨塊削薄，減薄至單一原子層，進入到納米尺度，就得到了石墨烯。

石墨烯和石墨的性質差異巨大，它是一種強度非常高的材料，理論上讓一頭大象站在一只筆尖上、再將筆尖扎在一張完美無缺陷的石墨烯薄膜上，薄膜都不會破裂。

而將石墨烯像卷紙一樣卷成直徑僅為若干納米的、無縫閉合的中空管狀結構，就得到了碳納米管。

1991年，日本科學家Iijima在電弧放電實驗中，偶然發現了這種一維結構的材料。[1]

碳納米管由碳碳鍵連接而成，這是最強的化學鍵之一，其強度遠高于金屬之中的金屬鍵。

要使得碳納米管斷裂，就需要破壞碳原子之間的化學鍵，這意味著碳納米管可以承受很大的應力，具有很高的力學強度。

早期的理論計算研究表明碳納米管的彈性模量高達5.5Tpa，是鋼的25倍。[2]

1996年，Treacy等研究人員在電子顯微鏡下，通過測量多壁碳納米管與時間相關的熱振動振幅，測得多壁碳納米管的平均楊氏模量為1.8TPa。[3]

雖然碳納米管理論強度很高，但要實現這種材料的真正應用，還有一段很長的路要走。

《三體》背后的清華科研項目

《三體》電視劇中，汪淼教授背后介紹飛刃材料的PPT，描述的正是清華大學魏飛老師課題組合成超長碳納米管的相關內容。[4]

（Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161. DOI: 10.1021/nn401995z）

目前，碳納米管主要通過電弧放電法和化學氣相沉積法合成：

即通過放電或者高溫裂解芳香烴（苯）、脂肪烴（甲烷、乙烯）、醇類（乙醇、甲醇）或者它們的混合物，產生碳碎片，這些碳碎片會在催化劑（常見的催化劑是鐵等金屬納米顆粒）上生長形成一維結構的碳納米管。

雖然這些方法都能實現碳納米管的連續制備，但產量非常有限，正如汪教授所言，無法量產。

現實中，量產高質量的長碳納米管是仍然是亟待解決的重大難題。

納米尺度的碳納米管合成后，還需通過紡絲、致密化處理等多個步驟才能得到碳納米管纖維，碳納米管纖維才是一種能真正應用的宏觀材料。

目前實際生產的大多數碳納米管纖維強度僅為5-6GPa，與理論強度相距甚遠。

這是因為纖維中并不是每一根碳納米管都是完美無缺陷的，缺陷的存在使得當纖維受力時，碳納米管極易在缺陷處斷裂，從而降低整體強度。

2018年，魏飛老師課題組合成了厘米級的無缺陷碳納米管管束，力學強度高達80GPa，實現了重大突破。[5]

相關領域的研究人員們仍在不懈努力，朝著高強度碳納米管纖維真正大規模生產應用的方向邁進。

太空電梯和碳基芯片都能用

談及碳納米管的用途，許多人的第一反應就是太空電梯，即用于建設連接太空電梯頂端空間站與地球的纜索結構。

為了使空間站位于地球的同步軌道上，纜索必須繃直，因此該結構需要承受巨大的拉力。

目前碳納米管無論是強度還是產量，都遠遠達不到這個要求，更不用說運載過程帶來的材料磨損和氧化問題（碳納米管在高溫且具有氧氣的環境下是不穩定的），這仍將是人類美好的設想。

但這并不意味著碳納米管是無用的。

作為一種輕質高強，導電導熱性能優異的材料，它在武器裝備制造（比如防彈衣）、特殊功能材料、電池（用作導電添加劑）等多個領域都具有重要的應用前景。

半導體型的碳納米管還有望用于制造碳基芯片，它具有極高的載流子遷移率，可以通過自下而上的方式構筑集成電路，代替硅材料，解決硅基材料受摩爾定律限制的難題。

從2000年至今，北京大學彭練矛院士一直堅守在國產碳基芯片研究一線。

2020年，他帶領團隊首次制備出性能接近理論極限，柵長僅5納米的碳納米管晶體管，實現了該領域的重大突破，有望打破中國芯片產業鏈面臨著被“卡脖子”的狀況。[6]

新一代的碳基芯片具有更優異的性能，在包括數字電路、射頻/模擬電路、傳感器件、光電器件在內的多個應用領域都具備革命性的應用前景。

參考文獻：
[1] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature, 1991, 354(6348): 56.
[2] Qu L, Dai L, Stone M, et al. Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off[J]. Science, 2008, 322(5899): 238.
[3] Treacy M M J, Ebbesen T W, Gibson J M. Exceptionally high young’s modulus observed for individual carbon nanotubes[J]. Nature, 1996, 381(6584): 678.
[4] Zhang R, Zhang Y, Zhang Q, et al. Growth of half-meter long carbon nanotubes based on Schulz–Flory distribution[J]. Acs Nano, 2013, 7(7): 6156-6161.
[5] Bai Y, Zhang R, Ye X, et al. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa[J]. Nature nanotechnology, 2018, 13(7): 589-595.
[6] Liu L, Han J, Xu L, et al. Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics[J]. Science, 2020, 368(6493): 850-856.
圖片來自三體電視劇和流浪地球2截圖