本
文
摘
要
太空电梯原理
近期上映的《流浪地球2》中，出现的太空电梯唤起了公众对“天梯”的关注。
人类对太空电梯的构想，最早可追溯到两个世纪前。1895年，俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔时迸发出对太空电梯的原始构想：能不能在赤道上建造一座直通太空的塔，像圣经里的巴别塔一样，这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。
太空电梯的原理并不复杂，说到底就是将一条长长的缆绳一端固定在地球上，另一端固定在地球静止轨道的平衡物(如大型空间站)上。在引力和离心加速度的相互作用下，缆绳绷紧，太空电梯便可利用太阳能或激光能转变成的电能沿缆绳上下运动。
由于太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，所以目前建造太空电梯的最大障碍是缆索的建造，它需要用又强又轻的材料制成，并能够经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。根据美国国家航空航天局（NASA）提出的标准，制备“天梯”所需要的材料单位质量上的强度（即比强度）至少要达到7.5 GPa（g/cm³）。
碳纳米管的出现
1991年碳纳米管的发现，给人类百年的天梯梦想带来了一线曙光。碳纳米管，又名巴基管，是一种径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口的一维量子材料。与其他纳米材料相比，具有更为独特的结构和奇异的性能，被称为“纳米材料之王”。碳纳米管理论上的抗拉强度超过100 GPa,其单位质量上的比强度则超过了62.5 GPa（g/cm³）。
碳纳米管是除石墨、金刚石、无定形碳和富勒烯之外元素碳的又一变体，碳原子呈六角形排列。结构相当于卷起的单原子或多原子石墨层，以至于形成具有通常几纳米的直径和最多几毫米长度的空心圆柱体。原则上区分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。由于范德华力，碳纳米管显示出强烈的聚集成束的倾向，所以在挤出过程中必需通过高剪切力来解开/分散，而不会使其严重缩短。
碳纳米管是目前人类已经发现的材料中，唯一有希望建造‘天梯’的材料，这种新型纳米材料是人类已知的力学强度最高的材料。碳纳米管是由碳原子通过SP2杂化形成的碳-碳化学键（C-C）组成，碳-碳键具有非常高的键能和强度。
目前，由于制备工艺的限制能实现大批量制备的碳纳米管大部分长度都太短（一般局限在几十微米），并且存在较多的结构缺陷，没法充分发挥它们自身的优异性能，使其在制备纤维方面并不具备优势，所得到的碳纳米管纤维与理论上的性能相比还有不小的差距。所以太空电梯在近几十年里完成的可能性不大，但碳纳米管作为一种性能优异的潜在材料，受到科学家们广泛的重视和研究。
碳纳米管独特的物理化学性能
1.导电
碳纳米管具有一维中空管状结构，管壁由单层或多层石墨烯片围成，管径为纳米级，管长为微米级，长径比巨大，其性质会因石墨烯片的卷曲方式不同而发生变化，体现金属性或半导体性质。甚至在同一根碳米管的不同部位，由于结构不同，也会表现出不同的导电性，而且碳纳米管的导电性与其直径和手性有密切关系，理论预测，当碳纳米管管径小于6纳米时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
2.超强抗拉
碳纳米管具有优越的机械性能：抗拉强度50-200GPa，相当于钢的100倍，但比重只有钢的1/6，因而被称“超级纤维”;硬度与钻石相当，但柔韧性更强，可拉伸，其最大拉伸率高于任何金属;它还有很好的柔性、回弹性和抗畸变的能力。被人们认为是有最大强度重量比的纤维和强化相的终极形式。
3.导热
碳纳米管在特定方向具有良好的传热性能，可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，就能大幅提高复合材料的热导率。
4.吸附
碳纳米管具有超大的比表面积，吸附性能强; 同时具有良好的电磁波吸收等性能。
利用上述性质，碳纳米管可广泛用于锂电池导电浆料、太阳能电池涂层、高强度结构材料、导电涂料、催化剂载体、场发射材料、电磁屏蔽材料等领域。诺贝尔奖得主R.E.Smalley称：“纳米碳管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新材料。”
碳纳米管的应用领域
1.电子领域应用
用碳纳米管制成天线，就可以像接收无线电波的天线一样接受光波。无线电波可激励电子成为电流。对无线电波的这种响应、放大和调制，是无线电广播和电视广播的基础，使之可传输声音和影像。对接收可见光纳米天线的实际应用，专家认为，纳米天线可制成光电视，即将电视信号加到在光纤上传送的激光束，而在终端，由一系列纳米管(每个功能类似于高速二极管)将信号解调，而大大提高电视信号的效率和图像的品质。这种纳米天线可成为高效太阳能转化器。即入射光被转化成电荷存储在电容器中，从而可使太阳能转化成电能的效率大大提高。
由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具，而且还能够用来制造导线本身。利用碳纳米管的电子特性，可用来制作晶体管开头电路或微型传感器元件。它还可以做为锂离子电池的正极和负极，使电池寿命增长，充放电性能好。此外碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏极有希望的材料。
2.复合材料领域
此外，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管因而被称“超级纤维”。若以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，将给复合材料的性能带来极大的改善。目前，碳纳米管已应用于制作滑雪板、冰球杆、冲浪板等体育器材，采用碳纳米管的高性能胶带也已经上市。
另外，碳纳米管还能应用于催化纤维和膜工业。利用碳纳米管制成的纳米纤维结构的氧化钒，因其有极高的表面积，催化效果大大加强。碳纳米管“列阵”制成的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。
3.能源方面
清华大学碳纳米材料研究小组发现一种经处理后表现出显著储氢性能的碳纳米管，它有望成为新的清洁能源——氢能电池的制造材料。该项技术可以应用在燃料电池的制造中，起到持续稳定的氢源的作用。
4.医疗领域及生物工程
在美国加利福尼亚大学莱斯利•威尔逊和齐鲁斯•萨费尼 *** 士领导下研制成的一种所谓“智能”生物纳米管，将来能在人体内运送药物。科学家认为，将来在生物“容器”内部可以放入药物，并可以在任何所需地点释放药物。研究人员已经进行了一系列实验，证明新方法可靠有效。不过，科学家目前尚未作出很快就能实际应用“智能”生物纳米管的预测。
5.环境保护领域
利用纳米级集尘灰微粒的特性，发展新的保湿材料，大幅提升土壤之保水能力，提高绿化成功率与速度，为本项目发展目标。希望借着此一新技术的开发与应用，可以有效解决沙漠化地带土壤风化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危机。
碳纳米管以其特殊的结构，独特的的物理化学性能，极其广泛的应用范围和极具潜力的应用价值，吸引了全世界科学家的关注和研究，并且在这一领域己经取得了若干重要的进展。随着“工业4.0”及“2025方案”的实施，碳纳米管将会在越来越多的领域中产生重大而深刻的影响，并给人类带来巨大的利益。
