世界首次：清華大學(xué)成功制備超長(cháng)碳納米管管束
在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項的支持下，清華大學(xué)魏飛教授團隊與李喜德教授團隊合作研究，在超強碳納米管纖維領(lǐng)域取得突破，在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長(cháng)碳納米管管束的制備。
碳納米管被認為是目前人類(lèi)發(fā)現的強度最高的幾種材料之一，其楊氏模量高達1 TPa以上，拉伸強度高達100 GPa以上（比強度更是高達62.5 GPa/(g/cm3)），超過(guò)T1000碳纖維強度10倍以上。理論計算表明，碳納米管是目前唯一有可能幫助我們實(shí)現太空電梯夢(mèng)想的材料。
如何將一根根碳納米管組裝后仍保持其單根的優(yōu)異力學(xué)性能是制備超強纖維必須首先解決的問(wèn)題。然而，目前已報道的碳納米管纖維的強度只有0.5~8.8 GPa，遠低于碳納米管理論強度（>100 GPa）。主要原因是形成纖維的碳納米管長(cháng)度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉力作用下極易發(fā)生相互滑移，無(wú)法充分利用碳納米管固有的本征高強度。
此外，碳納米管內的結構缺陷、雜亂的取向等都會(huì )導致纖維強度的下降。相比之下，超長(cháng)碳納米管具有厘米甚至分米以上的長(cháng)度并且具有完美的結構、一致的取向和接近理論極限的力學(xué)性能，在制備超強纖維方面具有巨大的優(yōu)勢。
魏教授與李教授研究團隊通過(guò)采用原位氣流聚焦的方法，可控地制備了具有確定組成、結構完美且平行排列的厘米級連續超長(cháng)碳納米管管束，巧妙避免了上述的限制因素。通過(guò)制備含有不同數量單元的超長(cháng)碳納米管管束，定量分析其組成和結構對超長(cháng)碳納米管管束力學(xué)性能的影響，建立了確定的物理/數學(xué)模型。提出了一種“同步張弛”的策略，通過(guò)納米操縱來(lái)釋放管束中碳納米管的初始應力，使其處于一個(gè)較窄的分布范圍，進(jìn)而可將碳納米管管束的拉伸強度提高到80 GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。所報道的超長(cháng)碳納米管管束拉伸強度優(yōu)于目前發(fā)現的所有其他纖維材料。
這項工作揭示了超長(cháng)碳納米管用于制造超強纖維的光明前景，同時(shí)為發(fā)展新型超強纖維指明了方向和方法。相關(guān)成果于2018年5月14日在線(xiàn)發(fā)表于《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。
