碳纳米管天梯是什么东西资料(碳纳米管)

首页常识更新时间:2023-05-26 02:30:13

大家下午好,我给大家分享的题目是架起通往太空的天梯。大家知道碳是一个非常普通和非常常见的材料,SP2碳有金刚石,是大家都喜欢的东西。但我要告诉大家,大家通常用的铅笔里面的石墨碳,它是比金刚石更结实的东西。可能很多人不信,但是事实上来讲,在过去30年的时间里面,随着纳米研究的深入,从刚开始的碳60到碳纳米管,再到石墨烯,其中已经有两个碳60和石墨烯研究是得了诺贝尔奖的,可以想像在纳米领域对于碳的重视。

我今天要讲的是碳纳米管,实际上是单层石墨烯卷起来的材料,这样卷的话有好几个卷法,这个卷法稍微有点不同就会带来金属性和半导体性。

在十多年前,美国克林顿政府提了一个纳米创新计划,在前言里面讲,你想象可以看到我们用一个普通的碳做一种材料,这个材料的强度是钢的一百倍,密度是钢的六分之一,这种材料能够大量生产的时候,对美国的国家安全、科技进步和人文是什么?

事实上来讲,大家就在做一个梦,就在说用这个东西搭一个通往太空的天梯,其他材料是做不到的,只要是用其他的材料做一根绳子长十四万公里,它自身的重量就会把它拉断了,只有碳纳米管可以。所以我在跟大家分享我们的梦是什么,我们能不能实现在这个梦。

由于这个原因,在过去的二十多年时间里面,碳纳米管的研究,无论从论文、专利和产量来讲,基本上是按照摩尔定律在增长,增长的非常非常的迅速,一年一万多篇文献。其实不光是科技界热闹,你仔细看一看世界上著名的大马士革军刀,这个刀非常锋利的原因是有这个结构,在体育器材、轮胎,在超强材料等等都做了广泛的应用。

最近还有一个比较广泛的应用是智能手机,大家知道现在智能手机都是用触摸屏,我们清华大学的范守善院士通过十几年的工作,把碳纳米管可以非常整齐的排列出来,然后拽成一个膜,这个膜做成手机触摸屏,在我们国家已经每年有两千万的产量,这是第一次碳纳米管在通用电子产品里面有了大规模的应用。

最近(美国)NASA准备做一个碳纳米管的火箭,预计明年发射,代替碳纤维,可以影响世界。还有一个很有意思的事情是NASA已经提了六七年时间了,就在谈一件事,你做一个头发丝直径的材料,长度20cm就够,你只要把这个材料的强度比现有的最好的材料,也就是碳纤维再提高一倍,(奖励)200万美元,到现在为止谁也没有拿到过,我们有没有可能做成这件事,理论上来讲应该是可以的。

在过去的很多年时间里面,我们总在做一些工作,从原子的自组装开始把它装得很精密,然后控制它的聚集体,控制它反应的核心过程,控制整个的生产,最后把它服务于社会。在整个这个环境中,不仅要利用它的好处,也不能有它的坏处,这是一个核心的想法。

在过去的十四五年时间里,我们做了大量的工作,主要是想办法规模化地应用这种材料,实际上来讲,我们现在用我们的技术建起了世界上最大的碳纳米管生产厂,咱们国家生产的锂离子电池里面80%都用了我们的材料。

今天我不讲这事,今天还是讲我们的梦想,这个梦想是什么呢?

就是我们能不能够通过纳米技术,把这样一个碳纳米管的生长的精度控制在亚纳米级,长度上来讲,想办法做到米级长度,原子排列完全是完美的,这样的条件下很可能它会有一些独特的性质。

这样生长的时候其实挺简单的,第一个就是它的催化剂,其实就是我们普通用的铁,你把它做成纳米级,催化剂多大,它就长多粗,我们照着一两个纳米去,就是头发丝的万分之一的水平。我们想办法用碳源,这个碳源其实就是天然气。然后再在1000℃的条件下生长,有两个基本的生长模式,一个是顶部生长,一个是底部生长,长短的时候没有什么区别,但是长长了是不一样的,有什么不一样呢?长长了时候,这里面有气流和各种作用力,这样作用的时候,所有碳纳米管的作用力最后都集中在这个点上,这样的话永远都是带缺陷的。

所以全世界的人做了二十年的工作都会发现,我可以长得挺长的,但是没有强度,没有性能。有没有本事长得很长,又有很好的性能呢?这是我关心的,只有做好了性能之后,我们才可能做成一个通往太空的天梯,这个天梯真正是有强度的。

我们在过去的十多年时间里做了大量的工作,就是怎么样想办法长,我们首先发现其实加点水进去就可以长得很快,大约是每秒80um,也就是说每秒长人的一根头发丝的距离,大家不要认为这个小,你算算跟你的头发生长的速度相比的话,高出去一万倍的样子,跟工业生长的一些东西相比的话,可以高出一百万倍。

这是一个相当快的速度,而且它还可以很稳定,但是我们会发现你要想长长,永远是短的多,长的少,然后就在想有什么本事控制住这件事儿,我们仔细研究会发现有的时间长的长,有的时间长的短。

这里面到底是什么在控制?

实际上你想一下就知道了,就是铁颗粒在这个地方,碳是原子一个一个垒上去,垒上去只有两个状态,要么就是这个碳上去以后接着长,要么就是这个碳上去以后就死了,不长了。

如果我们认为这两个状态在整个生长过程中都是不变的,那么就只有一个因素控制着它,也就是碳的生长因子,它的生长因子越高活性越好,我们仔细看会发现,这条线就是生长因子线,如果你的生长因子比较高,你马上就能长的很长,能长多长呢?我们仔细看生长因子由很多东西控制,主要是温度、浓度、流速等等因素都会影响它,你要能控制在最好的点上,我们就用这样一个移动的炉子,它在1000℃的条件下长,只要温度在生长得过程中不超过1℃的误差。其他的指标控制好了,你会发现可以长的很长,至少长到半米长没有问题,我们现在可以长到700mm的样子。

长的时候都符合这样一个分布的关系,长到这样一个长度是什么概念呢?就是要长三百亿的碳原子只能有一个碳原子在捣乱失活了,你才能长这么长。这是一个非常艰难的控制过程,幸好我们有比较出色的学生,非常认真地工作,在原子级的条件下,看见了这个规律。

然后你会发现它不仅超长,而且是没有缺陷的,测量的结果大家会注意到,其实它的强度可以做到理论强度,因为我们所有一般的钢材它的强度很难到1个GPA,我们这个可以达到100GPA。

在这之前全世界的人很多时候也做过这个测量,都发现在微米级的长度下可以到30个GPA的样子,我们这样长出来的管子,就能做到100个GPA。不仅是这样,它是不是结构完美呢?我们的学生又做了一个非常仔细的工作。长了一个100cm长得碳纳米管,把它掰成了几块,看一看这一根碳纳米管是什么样子,大家可以看到这个碳纳米管是个三壁的,打个电子衍射可以确定它的结构。我们做了50mm以后,再取出另一块看看,打个电子衍射出来,我们打了好几个,50mm是什么概念呢,大概长50亿个碳原子,我们发现其实它都是一个非常完美的碳纳米管的结构,它的螺旋角是不变的,这个里面都是六元环,没有一个缺陷。

大家开玩笑说,你要做到这件事儿的话,至少是13亿人里边没有一个坏人,做到这个就实现了。

实现了又怎么样?

如果我们把这个管划一个缝,这个缝是毫米级长度,我们想办法在缝上面熏上一些二氧化碳,大家可以看到这个二氧化碳是个微米级的,这是咱们的白颜色,这是这根碳纳米管,这样的话用肉眼就能看见这根纳米级的碳纳米管,实际上强度也很高。

这样的话我们就可以把各种各样的碳纳米管,纳米级的玩意用肉眼就可以看到了,不光是这样,这个碳纳米管可以随着音乐跳舞,不仅能跳舞,我们发现其实它可以随动的条件下振动两亿次不断,可以很大的幅度像一个超级的弹簧,它不会坏,实际上挂的这个二氧化碳的重量是这根碳纳米管的两万倍的样子,根本不弯曲,只有吹气的时候它才会动。

这样的办法我们就可以测毫米级的长度上,碳纳米管的强度到底怎么样,我们发现还是100个GPA,17%的断裂伸长率。一般来讲钢3%就会全拉断了,我们可以17%,这是一个超级的橡皮筋,这个橡皮筋到什么程度,用它去做机械储能,它可以做到这样的级别,大家对这个级别没有印象,但是大家知道锂离子电池,它的储存的机械能的能量是锂离子电池的五倍。

这是什么概念呢?

就是你用手指头粗的碳纳米管绳子,把350公里时速的两公里长的高铁拉住,把它的能量全吸收回来,然后松开以后它会再弹出去。它有这么大的能力。大家可以注意到,这样能力的原因都因为完美超长的结构所带来的。

这样的话我们有了这个材料,我们用这个材料去做天梯的时候,就比美国人设想的好,你可以看到,他们是30个GPA的强度,是微米级长度测量的,他们想做到的是1m宽,0.1个mm厚的带子,这样的话要20吨重,花一百亿美元,他希望快速的做出来,现在还不容易。其实我们发现,我们有120个GPA的强度,可以做到半米,这样3-6吨就行了。这样的情况下我们又往这个梦想前进了一步。

实际上还不止这些,最近拿着这样的材料去做实验还会有更大的发现。

在宏观尺度下大家知道永动机是不存在的,但是在微观情况下是存在的,比如咱们的气体分子运动,它永动了你根本就不用给它加能量,它不会耗散掉。

有没有办法让我们宏观上永动机可行呢?

这个看似不可想象,实际上来讲这件事在过去一些年里有了突飞猛进的进展,其中一种是大家可以注意到在两个固体的表面上,比如石墨,它有两个基本的模式:一个是如果材料相同排列也一样在滑动的时候,竟然有一个公度的关系,这个时候它的阻力会特别大,这也是我们的轴瓦从来不能用同一种材料来做,轴瓦和轴一般是分开的,但你要错个角,它就是非公度状态,主要是原子与原子之间的相互作用问题。

1990年的时候一个日本人就提出来,如果是非公度的固体表面,有可能它的摩擦力很小,但小到多少大家没数。

我们就去做了个实验有没有可能这样,让碳纳米管在里面滑,如果你能保证这两根管的螺旋角是不一样的是结构完美的管,它就有可能永远振动下去。我们在做实验的时候发现其实有时候就会出现,这样的话我们毫米级长度的管,砰一下就弹起来了,我们仔细做测量就发现可以拽出很长很长来,基本上没有作用力,小到什么程度呢?厘米级的长度拽出来,拽出十亿个碳原子出来只有一个纳牛,也就是一个共价键的力量都超过这个。它只是克服了石墨表面的力量,我们测得的摩擦力比现有所有的报道小四个数量级,大家想我是不是在厘米级长度上做到了只有克服表面的力量,虽然这和永动不永动没关系,但从这个角度讲给大家带来一个希望,将来我们有可能做成以前我们梦想实现的东西。

总的来讲大家会注意到,如果我们追求卓越,追求完美,把材料做到极致,那么我们可以实现我们的梦想。

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