魏飛：碳納米管，架起通往太空的天梯

大家下午好，我給大家分享的題目是架起通往太空的天梯。大家知道碳是一個非常普通和非常常見的材料，SP2碳有金剛石，是大家都喜歡的東西。但我要告訴大家，大家通常用的鉛筆裡面的石墨碳，它是比金剛石更結實的東西。可能很多人不信，但是事實上來講，在過去30年的時間裡面，隨著納米研究的深入，從剛開始的碳60到碳納米管，再到石墨烯，其中已經有兩個碳60和石墨烯研究是得了諾貝爾獎的，可以想像在納米領域對於碳的重視。

我今天要講的是碳納米管，實際上是單層石墨烯捲起來的材料，這樣卷的話有好幾個卷法，這個卷法稍微有點不同就會帶來金屬性和半導體性。

在十多年前，美國柯林頓政府提了一個納米創新計劃，在前言裡面講，你想像可以看到我們用一個普通的碳做一種材料，這個材料的強度是鋼的一百倍，密度是鋼的六分之一，這種材料能夠大量生產的時候，對美國的國家安全、科技進步和人文是什麼？

事實上來講，大家就在做一個夢，就在說用這個東西搭一個通往太空的天梯，其他材料是做不到的，只要是用其他的材料做一根繩子長十四萬公裡，它自身的重量就會把它拉斷了，只有碳納米管可以。所以我在跟大家分享我們的夢是什麼，我們能不能實現在這個夢。

由於這個原因，在過去的二十多年時間裡面，碳納米管的研究，無論從論文、專利和產量來講，基本上是按照摩爾定律在增長，增長的非常非常的迅速，一年一萬多篇文獻。其實不光是科技界熱鬧，你仔細看一看世界上著名的大馬士革軍刀，這個刀非常鋒利的原因是有這個結構，在體育器材、輪胎，在超強材料等等都做了廣泛的應用。

最近還有一個比較廣泛的應用是智慧型手機，大家知道現在智慧型手機都是用觸控螢幕，我們清華大學的範守善院士通過十幾年的工作，把碳納米管可以非常整齊的排列出來，然後拽成一個膜，這個膜做成手機觸控螢幕，在我們國家已經每年有兩千萬的產量，這是第一次碳納米管在通用電子產品裡面有了大規模的應用。

最近（美國）NASA準備做一個碳納米管的火箭，預計明年發射，代替碳纖維，可以影響世界。還有一個很有意思的事情是NASA已經提了六七年時間了，就在談一件事，你做一個頭髮絲直徑的材料，長度20cm就夠，你只要把這個材料的強度比現有的最好的材料，也就是碳纖維再提高一倍，（獎勵）200萬美元，到現在為止誰也沒有拿到過，我們有沒有可能做成這件事，理論上來講應該是可以的。

在過去的很多年時間裡面，我們總在做一些工作，從原子的自組裝開始把它裝得很精密，然後控制它的聚集體，控制它反應的核心過程，控制整個的生產，最後把它服務於社會。在整個這個環境中，不僅要利用它的好處，也不能有它的壞處，這是一個核心的想法。

在過去的十四五年時間裡，我們做了大量的工作，主要是想辦法規模化地應用這種材料，實際上來講，我們現在用我們的技術建起了世界上最大的碳納米管生產廠，咱們國家生產的鋰離子電池裡面80%都用了我們的材料。

今天我不講這事，今天還是講我們的夢想，這個夢想是什麼呢？

就是我們能不能夠通過納米技術，把這樣一個碳納米管的生長的精度控制在亞納米級，長度上來講，想辦法做到米級長度，原子排列完全是完美的，這樣的條件下很可能它會有一些獨特的性質。

這樣生長的時候其實挺簡單的，第一個就是它的催化劑，其實就是我們普通用的鐵，你把它做成納米級，催化劑多大，它就長多粗，我們照著一兩個納米去，就是頭髮絲的萬分之一的水平。我們想辦法用碳源，這個碳源其實就是天然氣。然後再在1000℃的條件下生長，有兩個基本的生長模式，一個是頂部生長，一個是底部生長，長短的時候沒有什麼區別，但是長長了是不一樣的，有什麼不一樣呢？長長了時候，這裡面有氣流和各種作用力，這樣作用的時候，所有碳納米管的作用力最後都集中在這個點上，這樣的話永遠都是帶缺陷的。

所以全世界的人做了二十年的工作都會發現，我可以長得挺長的，但是沒有強度，沒有性能。有沒有本事長得很長，又有很好的性能呢？這是我關心的，只有做好了性能之後，我們才可能做成一個通往太空的天梯，這個天梯真正是有強度的。

我們在過去的十多年時間裡做了大量的工作，就是怎麼樣想辦法長，我們首先發現其實加點水進去就可以長得很快，大約是每秒80um，也就是說每秒長人的一根頭髮絲的距離，大家不要認為這個小，你算算跟你的頭發生長的速度相比的話，高出去一萬倍的樣子，跟工業生長的一些東西相比的話，可以高出一百萬倍。

這是一個相當快的速度，而且它還可以很穩定，但是我們會發現你要想長長，永遠是短的多，長的少，然後就在想有什麼本事控制住這件事兒，我們仔細研究會發現有的時間長的長，有的時間長的短。

這裡面到底是什麼在控制？

實際上你想一下就知道了，就是鐵顆粒在這個地方，碳是原子一個一個壘上去，壘上去只有兩個狀態，要麼就是這個碳上去以後接著長，要麼就是這個碳上去以後就死了，不長了。

如果我們認為這兩個狀態在整個生長過程中都是不變的，那麼就只有一個因素控制著它，也就是碳的生長因子，它的生長因子越高活性越好，我們仔細看會發現，這條線就是生長因子線，如果你的生長因子比較高，你馬上就能長的很長，能長多長呢？我們仔細看生長因子由很多東西控制，主要是溫度、濃度、流速等等因素都會影響它，你要能控制在最好的點上，我們就用這樣一個移動的爐子，它在1000℃的條件下長，只要溫度在生長得過程中不超過1℃的誤差。其他的指標控制好了，你會發現可以長的很長，至少長到半米長沒有問題，我們現在可以長到700mm的樣子。

長的時候都符合這樣一個分布的關係，長到這樣一個長度是什麼概念呢？就是要長三百億的碳原子只能有一個碳原子在搗亂失活了，你才能長這麼長。這是一個非常艱難的控制過程，幸好我們有比較出色的學生，非常認真地工作，在原子級的條件下，看見了這個規律。

然後你會發現它不僅超長，而且是沒有缺陷的，測量的結果大家會注意到，其實它的強度可以做到理論強度，因為我們所有一般的鋼材它的強度很難到1個GPA，我們這個可以達到100GPA。

在這之前全世界的人很多時候也做過這個測量，都發現在微米級的長度下可以到30個GPA的樣子，我們這樣長出來的管子，就能做到100個GPA。不僅是這樣，它是不是結構完美呢？我們的學生又做了一個非常仔細的工作。長了一個100cm長得碳納米管，把它掰成了幾塊，看一看這一根碳納米管是什麼樣子，大家可以看到這個碳納米管是個三壁的，打個電子衍射可以確定它的結構。我們做了50mm以後，再取出另一塊看看，打個電子衍射出來，我們打了好幾個，50mm是什麼概念呢，大概長50億個碳原子，我們發現其實它都是一個非常完美的碳納米管的結構，它的螺旋角是不變的，這個裡面都是六元環，沒有一個缺陷。

大家開玩笑說，你要做到這件事兒的話，至少是13億人裡邊沒有一個壞人，做到這個就實現了。

實現了又怎麼樣？

如果我們把這個管劃一個縫，這個縫是毫米級長度，我們想辦法在縫上面燻上一些二氧化碳，大家可以看到這個二氧化碳是個微米級的，這是咱們的白顏色，這是這根碳納米管，這樣的話用肉眼就能看見這根納米級的碳納米管，實際上強度也很高。

這樣的話我們就可以把各種各樣的碳納米管，納米級的玩意用肉眼就可以看到了，不光是這樣，這個碳納米管可以隨著音樂跳舞，不僅能跳舞，我們發現其實它可以隨動的條件下振動兩億次不斷，可以很大的幅度像一個超級的彈簧，它不會壞，實際上掛的這個二氧化碳的重量是這根碳納米管的兩萬倍的樣子，根本不彎曲，只有吹氣的時候它才會動。

這樣的辦法我們就可以測毫米級的長度上，碳納米管的強度到底怎麼樣，我們發現還是100個GPA，17%的斷裂伸長率。一般來講鋼3%就會全拉斷了，我們可以17%，這是一個超級的橡皮筋，這個橡皮筋到什麼程度，用它去做機械儲能，它可以做到這樣的級別，大家對這個級別沒有印象，但是大家知道鋰離子電池，它的儲存的機械能的能量是鋰離子電池的五倍。

這是什麼概念呢？

就是你用手指頭粗的碳納米管繩子，把350公裡時速的兩公裡長的高鐵拉住，把它的能量全吸收回來，然後鬆開以後它會再彈出去。它有這麼大的能力。大家可以注意到，這樣能力的原因都因為完美超長的結構所帶來的。

這樣的話我們有了這個材料，我們用這個材料去做天梯的時候，就比美國人設想的好，你可以看到，他們是30個GPA的強度，是微米級長度測量的，他們想做到的是1m寬，0.1個mm厚的帶子，這樣的話要20噸重，花一百億美元，他希望快速的做出來，現在還不容易。其實我們發現，我們有120個GPA的強度，可以做到半米，這樣3-6噸就行了。這樣的情況下我們又往這個夢想前進了一步。

實際上還不止這些，最近拿著這樣的材料去做實驗還會有更大的發現。

在宏觀尺度下大家知道永動機是不存在的，但是在微觀情況下是存在的，比如咱們的氣體分子運動，它永動了你根本就不用給它加能量，它不會耗散掉。

有沒有辦法讓我們宏觀上永動機可行呢？

這個看似不可想像，實際上來講這件事在過去一些年裡有了突飛猛進的進展，其中一種是大家可以注意到在兩個固體的表面上，比如石墨，它有兩個基本的模式：一個是如果材料相同排列也一樣在滑動的時候，竟然有一個公度的關係，這個時候它的阻力會特別大，這也是我們的軸瓦從來不能用同一種材料來做，軸瓦和軸一般是分開的，但你要錯個角，它就是非公度狀態，主要是原子與原子之間的相互作用問題。

1990年的時候一個日本人就提出來，如果是非公度的固體表面，有可能它的摩擦力很小，但小到多少大家沒數。

我們就去做了個實驗有沒有可能這樣，讓碳納米管在裡面滑，如果你能保證這兩根管的螺旋角是不一樣的是結構完美的管，它就有可能永遠振動下去。我們在做實驗的時候發現其實有時候就會出現，這樣的話我們毫米級長度的管，砰一下就彈起來了，我們仔細做測量就發現可以拽出很長很長來，基本上沒有作用力，小到什麼程度呢？釐米級的長度拽出來，拽出十億個碳原子出來只有一個納牛，也就是一個共價鍵的力量都超過這個。它只是克服了石墨表面的力量，我們測得的摩擦力比現有所有的報導小四個數量級，大家想我是不是在釐米級長度上做到了只有克服表面的力量，雖然這和永動不永動沒關係，但從這個角度講給大家帶來一個希望，將來我們有可能做成以前我們夢想實現的東西。

總的來講大家會注意到，如果我們追求卓越，追求完美，把材料做到極致，那麼我們可以實現我們的夢想。