交匯點(diǎn)訊 一代新材料，鑄造一代新裝備，強(qiáng)大一代新產(chǎn)業(yè)。被譽(yù)為“黑金”的尖端新材料碳納米管，是業(yè)界認(rèn)為目前最接近《三體》小說中“納米飛刃”的原型。碳納米管長什么樣，科學(xué)家是怎么把它制備出來的，目前已有哪些能看得見的應(yīng)用？近日，記者來到中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡稱“中國科學(xué)院蘇州納米所”），親密接觸神奇的碳納米管。
材料界的“六邊形戰(zhàn)士”
《三體》名場(chǎng)面“古箏行動(dòng)”中，只有人體頭發(fā)絲1／10粗細(xì)的“納米飛刃”，把“審判日”號(hào)巨輪切割成了“面包片”。雖然“納米飛刃”在現(xiàn)實(shí)中尚不存在，但比較接近其原型的碳納米管的確有著超高強(qiáng)度的特性。
“按照理論來說，碳納米管強(qiáng)度最高可達(dá)200Gpa，這意味著200根比頭發(fā)絲還細(xì)的碳納米管就可以拉起一輛汽車。”中國科學(xué)院蘇州納米所副所長、博士生導(dǎo)師李清文介紹，碳納米管是材料界當(dāng)之無愧的“六邊形戰(zhàn)士”，兼具高分子和金屬的優(yōu)勢(shì)。其密度僅為鋼的1／6，但彈性模量是鋼的5倍，抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍，常溫下熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)超其他金屬材料。
中國科學(xué)院蘇州納米所副所長、博士生導(dǎo)師李清文
這種神奇的材料到底長啥樣？李清文告訴記者，形象一點(diǎn)來說，碳納米管是由單層或者多層石墨烯無縫卷曲而成的中空管狀結(jié)構(gòu)，有趣之處在于，其卷曲角度不同，電學(xué)性質(zhì)也不同，可展現(xiàn)出金屬性和半導(dǎo)體性，因此成為新型電子器件的重要基材。“目前碳納米管可以制備出粉體、纖維、薄膜、泡沫等多種形態(tài)，所面臨的共性難度在于如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定均一、連續(xù)、規(guī)?；⒌统杀镜闹苽??！?/p>
從肉眼不可見的微觀材料，到呈現(xiàn)在我們面前的實(shí)體化產(chǎn)品，碳納米管走過了數(shù)十年道路。李清文告訴記者，多年來，聚焦碳納米管的制備和應(yīng)用，中國科學(xué)院蘇州納米所“兵分兩路”，一隊(duì)研發(fā)碳納米管分離技術(shù)，為集成電路提供材料基礎(chǔ)；另一隊(duì)則負(fù)責(zé)將這種碳納米管加工成超級(jí)纖維和超輕高導(dǎo)電碳納米管薄膜材料，并開展產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
可穿戴智能“碳納米管”
一代代材料背后，是一代代材料人的接力攻堅(jiān)。李清文回憶道，“2000年初，碳納米管的合成工藝離工程化還有相當(dāng)一段距離，當(dāng)時(shí)的石墨烯研究熱也‘卷’走了一批人，但在前輩們的激勵(lì)和帶領(lǐng)下，我們繼續(xù)堅(jiān)守在碳納米管領(lǐng)域里?！?/p>
經(jīng)過10余年的努力，團(tuán)隊(duì)突破了碳納米管薄膜的連續(xù)批量制備關(guān)鍵技術(shù)，形成了低成本、百萬平米的高性能碳納米管薄膜產(chǎn)業(yè)化能力，自主研制了碳納米管氣相連續(xù)成膜核心裝備，形成了國際先進(jìn)的薄膜產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。2011年開始，為將碳納米管薄膜推向市場(chǎng)，蘇州捷迪納米科技有限公司（以下簡稱“捷迪納米”）應(yīng)運(yùn)而生。
碳納米管薄膜
“有同事曾經(jīng)把碳納米管薄膜帶回家，被家人誤以為是黑色塑料袋?！苯莸霞{米董事長梁青拿出一片巴掌大小的黑色薄膜笑道，就是這小小的一片薄膜里，有超過200億根碳納米管。如今，公司將碳納米管薄膜應(yīng)用于智能穿戴加熱等領(lǐng)域，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研發(fā)水平處于全球領(lǐng)先地位。
碳納米管薄膜智能加熱模組生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)
帶電源鍵、智能控溫的保暖背心和防寒服，根據(jù)人體不同部位設(shè)計(jì)溫度區(qū)、與手機(jī)健康數(shù)據(jù)相連的智暖毯、暖宮帶、護(hù)腰帶……在捷迪納米，記者看到了多款“植入”了碳納米管的智能電加熱產(chǎn)品?！疤技{米管薄膜超柔韌、超輕薄，被縫制在衣物夾層幾乎‘無感’，作為電熱轉(zhuǎn)化裝置的一部分，再搭配充電寶等外接電源使用，電熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)99.5％。特別之處在于，這些產(chǎn)品都耐水洗?！绷呵嗾f，公司研制出國際領(lǐng)先的耐水洗、長續(xù)時(shí)、高熱效電熱模組，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)僅有的碳納米管薄膜應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品先后榮獲“深圳高交會(huì)優(yōu)秀產(chǎn)品獎(jiǎng)”“德國IF設(shè)計(jì)獎(jiǎng)”和亞太設(shè)計(jì)師聯(lián)盟最高獎(jiǎng)項(xiàng)“IAI最佳智造設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)”等，成為安踏、李寧、波司登、迪桑特、FILA、美津濃、無印良品等30多家國內(nèi)外品牌首選合作方，還曾為2020—2021賽季冰雪運(yùn)動(dòng)國家集訓(xùn)隊(duì)提供保暖產(chǎn)品，為北京冬奧會(huì)助力。
將在未來產(chǎn)業(yè)里大展身手
“2014年時(shí)，我們還在解決工程化問題的起步階段，做一張膜需要好幾個(gè)小時(shí)，成本也比較高。近幾年，隨著技術(shù)的突破，我們一年的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到幾十萬平方米，成本也接近有機(jī)膜成本?！崩钋逦恼f，團(tuán)隊(duì)持續(xù)對(duì)碳納米管的制備關(guān)鍵技術(shù)及工藝進(jìn)行優(yōu)化，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化落地的進(jìn)程，打通了碳納米管薄膜從制備、性能調(diào)控到終端產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用的整條產(chǎn)業(yè)鏈。
未來，碳納米管還有望在智能家居、風(fēng)力發(fā)電、固態(tài)儲(chǔ)氫等領(lǐng)域大展身手?！帮L(fēng)電葉片一旦遭遇凍雨，將無法正常工作，這是全世界都尚未解決的問題?！绷呵喔嬖V記者，團(tuán)隊(duì)正在嘗試給風(fēng)電葉片“穿上”碳納米管薄膜，助其快速除冰。目前該項(xiàng)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了地面實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)今年年底進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，“該領(lǐng)域應(yīng)用目前我們是走在世界前列的?！?/p>
作為儲(chǔ)氫新興技術(shù)，固態(tài)儲(chǔ)氫有著體積儲(chǔ)氫密度高、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。但是，固態(tài)儲(chǔ)氫的難點(diǎn)在于需要加熱到300℃才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、釋放氫氣。傳統(tǒng)的電熱絲加熱，加熱時(shí)間較長、能耗高，經(jīng)濟(jì)性差。“碳納米管薄膜加熱后可迅速升溫、在真空中溫度最高可達(dá)2000℃以上，用于固態(tài)儲(chǔ)氫或?qū)斫?jīng)濟(jì)性的大幅提升?！绷呵嗾雇?。
“材料是一切之本，新材料是帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革的重要引擎?！崩钋逦恼J(rèn)為，新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵特征在于高技術(shù)、高質(zhì)量、高效能，能夠帶動(dòng)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中高效能又著重體現(xiàn)在更節(jié)能、更綠色?！疤技{米管的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，我們希望通過自主研發(fā)的技術(shù)，讓碳納米管走進(jìn)千行百業(yè)、服務(wù)千家萬戶?！?/p>
新華日?qǐng)?bào)·交匯點(diǎn)記者 蔡姝雯 楊易臻 實(shí)習(xí)生 孔梓萱
