中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近期正在熱映的《流浪地球2》為觀眾提供了一場(chǎng)中國(guó)式科幻美學(xué)盛宴。電影開(kāi)篇就展現(xiàn)了一場(chǎng)驚心動(dòng)魄的太空電梯遇襲戰(zhàn)，描繪出未來(lái)太空電梯的模樣。其實(shí)，從概念提出至今，太空電梯一直都是硬科幻作品中常見(jiàn)的話題。全世界的科學(xué)家正在太空電梯的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行探索。纜繩作為太空電梯的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，涉及的碳納米管等材料學(xué)技術(shù)也在飛速發(fā)展中，讓太空電梯有望從夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)。
太空電梯設(shè)想由來(lái)已久
1895年，被譽(yù)為“航天之父”的俄國(guó)科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在參觀巴黎的埃菲爾鐵塔后，提出了一個(gè)構(gòu)想，即在地面上建設(shè)一座超高的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內(nèi)架設(shè)電梯，人類(lèi)便可以搭著電梯進(jìn)入外太空。這就是太空電梯構(gòu)想的雛形。如果太空電梯實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于火箭運(yùn)輸?shù)姆绞�，人�?lèi)進(jìn)入外太空將更加容易，成本更低。
不過(guò)，如果按照齊奧爾科夫斯基的構(gòu)想建設(shè)鐵塔，太空電梯的設(shè)想是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這是由于鋼鐵材料的抗壓能力不足，修到一定高度時(shí)，鐵塔會(huì)被自身的重量壓垮。齊奧爾科夫斯基的構(gòu)想就此擱置。
20世紀(jì)中期以后，太空電梯的構(gòu)想更進(jìn)一步。人們?cè)O(shè)想，太空電梯的主體是一個(gè)永久性連接太空站和地球表面的纜繩，將人和貨物從地面運(yùn)送到太空站。從材料學(xué)上看，如果整套太空電梯系統(tǒng)的重心在地球同步軌道或高于地球同步軌道，系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)重力加速度和離心力加速度的平衡，對(duì)材料的要求從抗壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭估�，這樣，材料選擇也就容易一些了。甚至在2012年2月，日本大林建設(shè)公司宣布以100億美元建設(shè)太空電梯，預(yù)計(jì)2050年落成。
核心問(wèn)題是纜繩材料
不過(guò)，即使太空電梯的構(gòu)想已經(jīng)成型，選擇材料還是一件困難的工作。
1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)并命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設(shè)想帶來(lái)了新的希望，許多研究團(tuán)隊(duì)都重新拾起了太空電梯計(jì)劃。
碳納米管是由碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)納米材料，是目前已知的理論上力學(xué)強(qiáng)度最高和韌性最好的材料。如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強(qiáng)度至少要達(dá)到90GPa。而實(shí)際上，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中合成的碳納米管的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200GPa。而從理論計(jì)算角度上，對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管而言，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到800GPa。
然而，當(dāng)時(shí)由于制備工藝的限制，實(shí)際能夠制備出的碳納米管長(zhǎng)度只有幾毫米，且存在大量結(jié)構(gòu)缺陷。2013年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)將催化劑活性提高到99.5%以上后，成功制備出單根長(zhǎng)度超過(guò)半米且具有完美結(jié)構(gòu)的碳納米管。目前，他們正在研制長(zhǎng)度在千米級(jí)以上的碳納米管�？梢哉f(shuō)，從材料學(xué)角度上，太空電梯已經(jīng)具有了初步實(shí)現(xiàn)的可能。
當(dāng)然，在現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)水平下，即使碳納米管技術(shù)正在飛速發(fā)展，太空電梯距離實(shí)際應(yīng)用也還很遙遠(yuǎn)。在地球上，我們需要考慮材料的耐候問(wèn)題和磨損問(wèn)題，尤其是高層大氣的磨損問(wèn)題;在太空，我們又要考慮人造衛(wèi)星軌道、宇宙輻射，甚至月球和附近其他行星引力、科里奧利力、小行星撞擊等問(wèn)題。這些研究至今都是空白�？梢哉f(shuō)，太空電梯仍然是人類(lèi)探索宇宙的一個(gè)美好愿景。
碳納米管未來(lái)用處多
盡管太空電梯在近幾十年里完成的可能性不大，但碳納米管作為一種性能優(yōu)異的潛在材料，受到科學(xué)家們廣泛的重視和研究。
碳納米管在諸多領(lǐng)域都有優(yōu)異的性能。若以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料，將給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大的改善。此外，碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳納米管因而被稱(chēng)“超級(jí)纖維”。
電學(xué)性能方面，由于結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，碳納米管具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)中，當(dāng)碳納米管管徑小于6納米時(shí)，碳納米管可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。在特定方向上，碳納米管的電導(dǎo)率通�？蛇_(dá)銅的1萬(wàn)倍。
熱學(xué)性能方面，碳納米管在特定方向具有良好的傳熱性能，可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管，就能大幅提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
目前，碳納米管已應(yīng)用于制作滑雪板、冰球桿、沖浪板等體育器材，采用碳納米管的高性能膠帶也已經(jīng)上市。一些初創(chuàng)企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)利用碳納米管進(jìn)行了微細(xì)加工嘗試，用于外科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。波音公司也已申請(qǐng)使用碳納米管對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用的復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。碳納米管的其他潛在應(yīng)用包括儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射晶體管、高性能催化和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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