交匯點訊 一代新材料，鑄造一代新裝備，強大一代新產業。被譽為“黑金”的尖端新材料碳納米管，是業界認為目前最接近《三體》小說中“納米飛刃”的原型。碳納米管長什么樣，科學家是怎么把它制備出來的，目前已有哪些能看得見的應用？近日，記者來到中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱“中國科學院蘇州納米所”），親密接觸神奇的碳納米管。
材料界的“六邊形戰士”
《三體》名場面“古箏行動”中，只有人體頭發絲1／10粗細的“納米飛刃”，把“審判日”號巨輪切割成了“面包片”。雖然“納米飛刃”在現實中尚不存在，但比較接近其原型的碳納米管的確有著超高強度的特性。
“按照理論來說，碳納米管強度最高可達200Gpa，這意味著200根比頭發絲還細的碳納米管就可以拉起一輛汽車。”中國科學院蘇州納米所副所長、博士生導師李清文介紹，碳納米管是材料界當之無愧的“六邊形戰士”，兼具高分子和金屬的優勢。其密度僅為鋼的1／6，但彈性模量是鋼的5倍，抗拉強度是鋼的100倍，常溫下熱導率也遠超其他金屬材料。
中國科學院蘇州納米所副所長、博士生導師李清文
這種神奇的材料到底長啥樣？李清文告訴記者，形象一點來說，碳納米管是由單層或者多層石墨烯無縫卷曲而成的中空管狀結構，有趣之處在于，其卷曲角度不同，電學性質也不同，可展現出金屬性和半導體性，因此成為新型電子器件的重要基材。“目前碳納米管可以制備出粉體、纖維、薄膜、泡沫等多種形態，所面臨的共性難度在于如何實現穩定均一、連續、規模化、低成本的制備。”
從肉眼不可見的微觀材料，到呈現在我們面前的實體化產品，碳納米管走過了數十年道路。李清文告訴記者，多年來，聚焦碳納米管的制備和應用，中國科學院蘇州納米所“兵分兩路”，一隊研發碳納米管分離技術，為集成電路提供材料基礎；另一隊則負責將這種碳納米管加工成超級纖維和超輕高導電碳納米管薄膜材料，并開展產業化應用。
可穿戴智能“碳納米管”
一代代材料背后，是一代代材料人的接力攻堅。李清文回憶道，“2000年初，碳納米管的合成工藝離工程化還有相當一段距離，當時的石墨烯研究熱也‘卷’走了一批人，但在前輩們的激勵和帶領下，我們繼續堅守在碳納米管領域里。”
經過10余年的努力，團隊突破了碳納米管薄膜的連續批量制備關鍵技術，形成了低成本、百萬平米的高性能碳納米管薄膜產業化能力，自主研制了碳納米管氣相連續成膜核心裝備，形成了國際先進的薄膜產業化技術。2011年開始，為將碳納米管薄膜推向市場，蘇州捷迪納米科技有限公司（以下簡稱“捷迪納米”）應運而生。
碳納米管薄膜
“有同事曾經把碳納米管薄膜帶回家，被家人誤以為是黑色塑料袋。”捷迪納米董事長梁青拿出一片巴掌大小的黑色薄膜笑道，就是這小小的一片薄膜里，有超過200億根碳納米管。如今，公司將碳納米管薄膜應用于智能穿戴加熱等領域，具有自主知識產權，研發水平處于全球領先地位。
碳納米管薄膜智能加熱模組生產現場
帶電源鍵、智能控溫的保暖背心和防寒服，根據人體不同部位設計溫度區、與手機健康數據相連的智暖毯、暖宮帶、護腰帶……在捷迪納米，記者看到了多款“植入”了碳納米管的智能電加熱產品。“碳納米管薄膜超柔韌、超輕薄，被縫制在衣物夾層幾乎‘無感’，作為電熱轉化裝置的一部分，再搭配充電寶等外接電源使用，電熱轉換效率可達99.5％。特別之處在于，這些產品都耐水洗。”梁青說，公司研制出國際領先的耐水洗、長續時、高熱效電熱模組，實現了國內僅有的碳納米管薄膜應用產業化，產品先后榮獲“深圳高交會優秀產品獎”“德國IF設計獎”和亞太設計師聯盟最高獎項“IAI最佳智造設計大獎”等，成為安踏、李寧、波司登、迪桑特、FILA、美津濃、無印良品等30多家國內外品牌首選合作方，還曾為2020—2021賽季冰雪運動國家集訓隊提供保暖產品，為北京冬奧會助力。
將在未來產業里大展身手
“2014年時，我們還在解決工程化問題的起步階段，做一張膜需要好幾個小時，成本也比較高。近幾年，隨著技術的突破，我們一年的產量已經達到幾十萬平方米，成本也接近有機膜成本。”李清文說，團隊持續對碳納米管的制備關鍵技術及工藝進行優化，推動其產業化落地的進程，打通了碳納米管薄膜從制備、性能調控到終端產品研發與應用的整條產業鏈。
未來，碳納米管還有望在智能家居、風力發電、固態儲氫等領域大展身手。“風電葉片一旦遭遇凍雨，將無法正常工作，這是全世界都尚未解決的問題。”梁青告訴記者，團隊正在嘗試給風電葉片“穿上”碳納米管薄膜，助其快速除冰。目前該項應用已經進行了地面實驗，預計今年年底進行上機實驗，“該領域應用目前我們是走在世界前列的。”
作為儲氫新興技術，固態儲氫有著體積儲氫密度高、安全性能好等優勢。但是，固態儲氫的難點在于需要加熱到300℃才能發生化學反應、釋放氫氣。傳統的電熱絲加熱，加熱時間較長、能耗高，經濟性差。“碳納米管薄膜加熱后可迅速升溫、在真空中溫度最高可達2000℃以上，用于固態儲氫或將帶來經濟性的大幅提升。”梁青展望道。
“材料是一切之本，新材料是帶動產業變革的重要引擎。”李清文認為，新質生產力的關鍵特征在于高技術、高質量、高效能，能夠帶動新產業的發展，其中高效能又著重體現在更節能、更綠色。“碳納米管的應用和產業化還有很長的路要走，我們希望通過自主研發的技術，讓碳納米管走進千行百業、服務千家萬戶。”
新華日報·交匯點記者 蔡姝雯 楊易臻 實習生 孔梓萱
