清華大學魏飛教授：為下一代材料貼上中國標籤

小說《三體》中，主人公汪淼研發的武器——飛刃，既可以吊起一輛大卡車，又可以將一艘巨輪切成「撲克牌」。據小說描述，飛刃是一種超高強度的納米材料，直徑只有頭髮絲的百分之一。

雖然「吊卡車、切巨輪」的場景只有小說裡有，但現實中，科學家也研製出了類似的材料——碳納米管。碳納米管是一種具有特殊結構的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子共價鍵構成同軸圓管。

這種材料最先從石墨電弧法製備C60的產物中發現，1991 年，日本電子公司（NEC）的電鏡專家飯島澄男在石墨陰極上的碳沉積物中發現了納米尺度的多層管狀物，並將碳納米管投射照片發表在Nature雜誌上。此後，在不到三十年時間裡，碳納米管的宏觀拉伸強度就達到了目前最好碳纖維的十倍，韌性達到了蜘蛛絲的40倍，碳納米管受到了科學界的廣泛關注。

2013年，清華大學教授魏飛團隊成功研製出單根長達半米的碳納米管，並且創造了新的世界紀錄。

在魏飛的願景中，碳納米管的未來就如同《科學美國人》雜誌中提到的場景：利用碳納米管制作一根太空天梯，可以使人類沿著天梯直接從地球通往太空。人類可以通過它向空間站運輸物資，甚至能隨時到太空旅遊。

「國際學術會議20年前就討論碳納米管是超強、超韌的下一代材料。」魏飛在接受《大國之材》採訪時表示，正因如此，魏飛及其課題組在2000年左右開始了碳納米管的研究工作。

接下來，魏飛希望將碳納米管應用在下一代計算機晶片中，創造出更多的奇蹟。

「畢生奉獻」為國家

「學識淵博術業精，立足展望皆頂峰。只因胸中抱負在，畢生奉獻為化工。」這是清華2009級直博生張如範寫給導師魏飛的詩句，也是對他在清華大學近30年教學科研工作的最好總結。

「我們高校就應該尋找新的方向，為國家的未來發展起作用。」問及當初為何會選碳納米管作為研究方向，魏飛表示，在他看來解決國家和社會問題是工科人的基本想法。

事實上，將其學生的詩句改為「畢生奉獻為國家」同樣合適。從事基礎研究以來，魏飛及其團隊就在時刻詮釋著「畢生奉獻為國家」這句話。

2000年前後，魏飛結識了碳納米管的發現者飯島澄男，歷經多次思想碰撞後，魏飛確定了碳納米管的研究方向，並偏向以實際應用為主。「我們當時覺得這個東西要是不能實際應用，你做它幹什麼？」

批量生產是碳納米管從實驗室走向實際應用的重要一步。「在成功將碳納米管批量化生產後，我們才發現找到的這個應用點是錯的，後來又調整，想別的辦法。」

在多次調整、討論、試驗後，魏飛及團隊確定了和一些電池企業的合作，嘗試將碳納米管作為儲能材料導電添加劑加入到鋰電池的正極中。根據測試結果，添加了碳納米管的鋰電池循環次數增加30%-50%，能量密度提高8%。

這一技術成果正好趕上了智慧型手機和電動汽車蓬勃發展的時代，應用端的變化對鋰電池的性能提出了更高要求。「我覺得這個事是佔據了天時地利人和，不是一個純技術的成功，我們承認我們有技術上的優勢，但是這個優勢能夠得到發揮的原因其實是跟國家產業鏈發展相關。」魏飛誠懇表示道。

順勢而為，魏飛團隊與合作單位一起成功創建了世界最大的千噸級碳納米管生產企業，實現了萬噸級鋰電池導電漿料的產業化，廣泛應用於智慧型手機與電動車中。

打造科技成果產業化樣本

其後，魏飛團隊又製備出世界上最長的單根碳納米管和拉伸強度達到到80GPa以上的超長碳納米管管束。

在國家重點研發計劃「納米科技」重點專項的支持下，2018年，魏飛團隊與同為清華教授的李喜德團隊合作研究，在超強碳納米管纖維領域取得突破，在世界上首次報導了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束的製備。

2007年前後，魏飛及團隊與杜邦、GE合作，成功進行了百公斤級的工業試驗樣品測試。也正因如此，他們吸引了海外風投的注意力。

「當時美國研究碳納米管的團隊、企業很多，市場的熱鬧程度不亞於前幾年中國的石墨烯市場，但那家風投能從幾百家團隊中找到我，說明我們還是靠譜的。」魏飛笑著說。

將視線拉回國內，與魏飛團隊一直進行「產學研用」合作的天奈科技可以說是一個科技成果產業化的成功樣本。

「由學校原創、研發，結合國內市場本土優勢，用企業的經營方式把原創概念做成穩定量產的產品，然後通過這個產品改變中國在鋰電池、動力電池的地位，我認為這是一個很有借鑑和代表性的案例。」魏飛對其團隊與天奈科技就碳納米管導電漿料的合作總結道。

魏飛表示，在高端材料領域中國以前只能是做一個產業股東，先當小弟弟，但天奈科技的成功改變了他對「高端材料一定要依賴國外大公司或投資才能生存」的看法。

從這個案例中，魏飛得出一個結論：國內某些新興產業發展的時候，研發者要能夠結合行業的痛點，要注意本土的優勢，這是很重要的「天時地利人和」。

產業前瞻性技術亟待突破

魏飛及團隊在超長碳納米管的研究工作展示出了製造超強纖維的光明前景，為發展新型超強纖維指明了方向。這有助於改進目前具有一定生產規模的超強材料，同時也為超強材料的大量製備奠定基礎，未來有望在大飛機、大型運載火箭、超級建築等多個領域大顯身手。

從2000年涉足碳納米管至今，魏飛已在這個行業深耕20年，他見證了行業的發展、壯大，並時刻為其存在的問題擔憂。

在魏飛看來，國內碳納米管行業在專利的數量上遠超國外，但大部分產品的性能、穩定性比不上國外大公司生產的產品。再者，專利保護環境差，抄襲問題嚴重。

「概括來說就是專利很多，但在核心領域的專利不如歐美強國，帶來的社會效益遠遠不可相比。」魏飛總結道，雖然碳納米管材料屬於戰略性新興材料，但國家層面並未出臺相關的產業發展戰略性規劃。「國內一堆人湧上去做，但這種行為更多的是市場的、短期的行為，覺得能賺到錢，所以大家都往這個方向靠，一旦冷下來則無人問津，缺乏長遠有規劃的研發。」

而在產品安全性的提前規避方面，國內更是一片空白。

魏飛對《大國之材》表示，我國前期在高技術產品對人與社會的安全性是目前我們遇到的新問題，相關的研究及與社會的互動非常缺乏，而中國的產業化進程又十分迅速，很多問題沒有提前研究與布局做規避和公開說明，國際上關於納米材料安全性的討論熱度不斷，但這只是一個很廣泛的概念，目前碳納米管在國內外的使用非常廣泛，這更應該由一個具有公信力的部門牽頭對安全性、合規性做一些調研及說明。

進一步來說，碳納米管市場之所以還在野蠻發展階段，也是國家需求不足、高端市場牽引不夠。對於追求科技創新和性能突破的產品來說，其發展可能與當前市場需求是不匹配的，但作為國家戰略制高點，還是必須得有人去做。

「國家要在材料上強大，還有相當長的路要走，產業界和教育界應該相通，要讓青少年就明白產業界的東西是什麼。」魏飛著重強調，未來要更加看重對青少年的培養，因為只有訓練一批有科研報國、產業報國理想的人才，我們國家的科技力量才會更加強大，下一代材料才有可能被印上「中國標籤」。

人物介紹

魏飛，1984畢業於石油大學煉製系有機化工專業，1990年獲石油大學有機化工博士學位。清華大學化學工程系教授，綠色反應工程與工藝北京市重點實驗室主任。中國顆粒學會能源顆粒材料專業委員會主任，發表論文600餘篇，SCI他引4萬餘次，是湯森路透近四年材料領域高被引科學家之一，也是Elsevier化工高被引學者。獲教育部「長江學者」特聘教授、國家傑出青年基金等。

目前已成功實現氣固下行床催化裂化、納米聚團床批量生產碳納米管、高速湍動床甲醇制芳烴、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、間苯二腈等30臺新概念反應器產業化，研究成果獲國家科技進步二等獎（2002年、2008年）、中石化科技進步一等獎、教育部自然科學、技術發明一等獎。