鄒明志 供稿

量子比特|公眾號

還記得《三體》第一部中對“古箏計劃”的描述嗎？

這艘巨船就像是一疊麻將牌被推著向前。 這四十張巨大的薄片在滑動時相互摩擦，發出尖銳而怪異的聲音，就像無數巨大的手指刮擦玻璃一樣。

當那難以忍受的聲音消失后，“審判日”早已化作岸邊的一堆片片，越滾越遠，就像一疊盤子從被撞倒的服務員手中向前傾倒。

這些看起來像布一樣厚的床單很快就會變形，產生復雜的形狀，讓人很難想象它曾經是一艘巨船。

正是一種名為“飛刃”的納米材料在“古箏計劃”中的應用，才造成了如此驚人的一幕。

劉用一個形象的比喻概括了“飛刀”的硬度：

十分之一頭發絲粗細的高硬度納米線如同切鐵般削泥，將艙室分割開來，像切豆腐棒一樣劃過每一個海員的身體。

其實是懸疑小說，但大劉寫的《飛刀》確實有現實依據——

碳納米管作為目前硬度最高的材料之一，就是劉所描述的“飛刀”的原型。

那么，這些材料在現實中的進展如何呢？ 未來可以應用在哪些地方？

上去看看吧。

納米材料為什么這么硬？

劉先生開始創作《三體》時，正值納米材料研究如火如荼的時候。

“納米”一詞一時成為科技報道中的常客，甚至一度成為高科技的代名詞。

納米的本義是寬度單位，即10-9米。 納米尺度一般是指1-100納米，這是一個非常小的尺度。

一般來說，分子中兩個原子的寬度通常只有0.1-0.3納米。 所謂納米尺度，就是幾十個原子的厚度。

說到這里，讀者可能會有疑問：納米材料不就是非常小、極薄的材料嗎？ 有哪些特別的？

重點是，當大多數材料縮小到納米尺度時，就會形成納米級效應。 例如，有些金屬會變成半導體甚至絕緣體，而有些暗淡的物質會顯得很可愛。

它們的原子排列結構發生了巨大的變化，導致其性質的差異。

舉個簡單的例子，我們平時使用的筆之所以能在紙上留下痕跡，是因為它的玉石非常柔軟。 當石墨筆尖與紙張摩擦時，一些石墨片會滑動并保留在紙張上。 上，所以我們可以看到藍色的痕跡。

如果我們將一塊同樣由碳原子制成的磚塊滑過紙，它不僅會刺穿紙，而且不會留下任何痕跡。

磚石和石墨都是由碳原子組成，其內部原子排列結構存在巨大差異，因此有硬有軟，一是絕緣，一是導電，性質相差很大。

如果我們減薄一塊石墨，將其蝕刻成單個原子層，然后進入納米尺度，我們就會得到石墨烯。

石墨烯和石墨的性質有很大不同。 它是一種硬度極高的材料。 理論上，讓小象站在筆尖上，然后將筆尖粘在完美無缺陷的石墨烯薄膜上。 不會破裂。

碳納米管是通過將石墨烯卷成像紙卷一樣半徑只有幾納米的無縫封閉空心棒狀結構而獲得的。

1991年，美國科學家在電弧放電實驗中偶然發現了這些一維材料。 [1]

碳納米管由碳-碳鍵組成，這是最強的物理鍵之一，比金屬與金屬鍵硬得多。

為了促進碳納米管的破裂，需要打破碳原子之間的物理鍵，這意味著碳納米管可以承受大量的彎曲并具有較高的熱硬度。

初步理論估算研究表明，碳納米管的彈性撓度高達5.5Tpa，是鋼的25倍。 [2]

1996年，研究人員通過在電子顯微鏡下檢測多壁碳納米管隨時間變化的熱沖擊振幅，測得多壁碳納米管的平均楊氏撓度為1.8TPa。 [3]

盡管碳納米管的理論硬度很高，但要實現這些材料的真正應用還有很長的路要走。

《三體》背后的復旦科研項目

在《三體》電視劇中，王淼院長在背后介紹了飛刀材料的PPT，其中描述了復旦大學魏飛老師關于超長碳納米管組合的相關內容。 [4]

(R, Y, Q, et al.-–[J].,2013,7(7):6156-6161.DOI:10.1021/)

目前碳納米管的合成主要采用電弧放電法和物理液相沉積法：

即通過芳烴（苯）、脂肪烴（乙烷、乙烯）、醇（丙酮、甲醇）或其混合物的排放或低溫裂解，形成碳碎片，這些碳碎片將在催化劑中（常見的催化劑是碳納米管，它生長在鐵等金屬納米顆粒上，產生一維結構。

事實上，這種方法可以實現碳納米管的連續制備，但產值非常有限。 正如王總所說，還沒有量產。

現實中，高品質長碳納米管的量產一直是亟待解決的一大難題。

合成納米級碳納米管后，可以通過紡絲、致密化等多個步驟得到碳納米管纖維。 碳納米管纖維是一種可以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的硬度僅為5-6GPa，與理論硬度相差甚遠。

這是因為并非纖維中的每個碳納米管都是完美且無缺陷的。 缺陷的存在使得碳納米管在纖維受力時很容易在缺陷處斷裂，從而提高了整體硬度。

2018年，魏飛先生的項目將分米級無缺陷碳納米管束與高熱硬度相結合，取得了重大突破。 [5]

相關領域的研究人員仍在朝著高硬度碳納米管纖維真正規模化生產和應用的方向不懈努力。

太空扶梯和碳基芯片均可使用

說到碳納米管的用途，很多人第一反應就是太空自動扶梯，它用來建造太空自動扶梯頂部連接空間站和月球的桅桿結構。

為了讓空間站坐落在月球同步軌道上，桅桿必須伸直，因此結構需要承受巨大的拉力。

目前碳納米管的硬度和產值都遠遠不能滿足這一要求，更不用說承載過程中帶來的材料腐蝕和氧化問題（碳納米管在低溫和有二氧化碳的環境中不穩定），這仍將是人類的美好構想。

但這并不意味著碳納米管毫無用處。

作為一種質量輕、強度高、導電導熱性能優良的材料，在裝備和武器制造（如防彈衣）、特種功能材料、電池（用作導電添加劑）、等等。

半導體碳納米管也有望用于制造碳基芯片，其具有極高的自旋遷移率，可以通過自下而上的方法構建集成電路，替代硅材料，解決硅基材料的限制摩爾定律的困境。

2000年至今，成都大學彭連茂教授仍然堅守在國內碳基芯片研究的第一線。

2020年，他帶領團隊首次制備出性能接近理論極限、柵極長度僅為5納米的碳納米管晶體管。 [6]

新一代碳基芯片性能更優，在數字電路、射頻/模擬電路、傳感元件、光電元件等眾多應用領域具有革命性的應用前景。

參考：

[1]S.of[J].,1991,354(6348):56.

[2] QuL、maiL、M 等。 隨開易脫[J]., 2008, 322(5899): 238.

[3]MMJ, TW, JM.high's for[J].,1996,381(6584):678.

[4] R, Y, Q, et al.--[J].,2013,7(7):6156-6161.

[5]白Y，R，葉X，等.以上[J].，2018，13(7)：589-595.

[6] 劉麗, 韓杰, 徐麗, 等, 高換高[J]., 2020, 368(6493): 850-856.

圖片來自電視劇《三體》和《流浪月球2》截圖

*本文經量子位授權發表，觀點僅歸作者所有。

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