碳纳米管：让太空电梯不是梦

　　近期正在热映的《流浪地球2》为观众提供了一场中国式科幻美学盛宴。电影开篇就展现了一场惊心动魄的太空电梯遇袭战，描绘出未来太空电梯的模样。其实，从概念提出至今，太空电梯一直都是硬科幻作品中常见的话题。全世界的科学家正在太空电梯的相关领域进行探索。缆绳作为太空电梯的关键技术和设备，涉及的碳纳米管等材料学技术也在飞速发展中，让太空电梯有望从梦想变成现实。

　　太空电梯设想由来已久

　　1895年，被誉为“航天之父”的俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在参观巴黎的埃菲尔铁塔后，提出了一个构想，即在地面上建设一座超高的铁塔，一直建到地球同步轨道为止，在铁塔内架设电梯，人类便可以搭着电梯进入外太空。这就是太空电梯构想的雏形。如果太空电梯实现，相对于火箭运输的方式，人类进入外太空将更加容易，成本更低。

　　不过，如果按照齐奥尔科夫斯基的构想建设铁塔，太空电梯的设想是无法实现的。这是由于钢铁材料的抗压能力不足，修到一定高度时，铁塔会被自身的重量压垮。齐奥尔科夫斯基的构想就此搁置。

　　20世纪中期以后，太空电梯的构想更进一步。人们设想，太空电梯的主体是一个永久性连接太空站和地球表面的缆绳，将人和货物从地面运送到太空站。从材料学上看，如果整套太空电梯系统的重心在地球同步轨道或高于地球同步轨道，系统会实现重力加速度和离心力加速度的平衡，对材料的要求从抗压转变为抗拉，这样，材料选择也就容易一些了。甚至在2012年2月，日本大林建设公司宣布以100亿美元建设太空电梯，预计2050年落成。

　　核心问题是缆绳材料

　　不过，即使太空电梯的构想已经成型，选择材料还是一件困难的工作。

　　1991年，日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管，给陷入瓶颈的太空电梯设想带来了新的希望，许多研究团队都重新拾起了太空电梯计划。

　　碳纳米管是由碳原子组成的管状结构纳米材料，是目前已知的理论上力学强度最高和韧性最好的材料。如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳，碳纳米管的抗拉强度至少要达到90GPa。而实际上，我们在实验中合成的碳纳米管的抗拉强度可以达到200GPa。而从理论计算角度上，对于具有理想结构的单壁碳纳米管而言，其抗拉强度可以达到800GPa。

　　然而，当时由于制备工艺的限制，实际能够制备出的碳纳米管长度只有几毫米，且存在大量结构缺陷。2013年，清华大学魏飞教授团队将催化剂活性提高到99.5%以上后，成功制备出单根长度超过半米且具有完美结构的碳纳米管。目前，他们正在研制长度在千米级以上的碳纳米管。可以说，从材料学角度上，太空电梯已经具有了初步实现的可能。

　　当然，在现有科学技术水平下，即使碳纳米管技术正在飞速发展，太空电梯距离实际应用也还很遥远。在地球上，我们需要考虑材料的耐候问题和磨损问题，尤其是高层大气的磨损问题;在太空，我们又要考虑人造卫星轨道、宇宙辐射，甚至月球和附近其他行星引力、科里奥利力、小行星撞击等问题。这些研究至今都是空白。可以说，太空电梯仍然是人类探索宇宙的一个美好愿景。

　　碳纳米管未来用处多

　　尽管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。

　　碳纳米管在诸多领域都有优异的性能。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。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”。

　　电学性能方面，由于结构与石墨的片层结构相同，碳纳米管具有很好的电学性能。理论预测中，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。在特定方向上，碳纳米管的电导率通常可达铜的1万倍。

　　热学性能方面，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。

　　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。一些初创企业和实验室已经利用碳纳米管进行了微细加工尝试，用于外科医学领域。波音公司也已申请使用碳纳米管对飞机结构中使用的复合材料进行结构健康监测。碳纳米管的其他潜在应用包括储能、超级电容器、场发射晶体管、高性能催化和生物医学设备等。