张如范：碳纳米管筑造“太空天梯梦”

韧性、碳纳米管，以及太空天梯梦

张如范，清华大学化工系副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Carbon Innovation 副主编、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology 及 Exploration 青年编委。2005-2009 年本科就读于中国石油大学（北京）化工学院，2009-2014 年博士就读于清华大学化工系，2014-2017 年在斯坦福大学材料系从事博士后研究，2018 年加入清华大学化工系。

张如范主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在 Science、Nature Nanotechnology、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano 等期刊发表论文 95 篇。申请发明专利 14 项；撰写学术专著 7 部。曾获侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018 年《麻省理工科技评论》中国区“35 岁以下科技创新 35 人”、中国新锐科技人物（2018）、SusMat 青年编委杰出贡献奖（2022）、清华大学 2020 年春季学期在线教学优秀教师奖（2020）、2019 国际化学元素周期表年《中国青年化学家元素周期表》入选者（2019）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励。

人类已知抗拉强度最高的材料是碳纳米管。这种直径仅占头发丝几万分之一的超级纤维材料，密度占钢铁的六分之一，强度可达到其 100 倍以上。

读博期间，张如范在导师魏飞的带领下，开始着手碳纳米管的制备及性质研究。这对当时的他来说是一个完全陌生的研究领域，进程并非一帆风顺，甚至有些艰难。坚韧与不服输的性格让他越挫越勇，在经历三年的摸爬滚打后，他从堆叠纷飞的实验数据中总结出了门道，发现了突破超长碳纳米管制备的关键。

通过对碳纳米管生长机理的深入研究，他突破了以往碳纳米管制备技术的限制，在质量、热量和动量的传递都接近极限状态的条件下，实现了上百亿个碳原子的几乎零缺陷自组装。

就这样，张如范在世界上首次实现了半米级长度的超长碳纳米管的可控制备，并且证明了其具有完美的无缺陷结构和接近理论值的优异性能——这个长度，是当时世界纪录的近 3 倍。成果的发表，令科研界为之沸腾。

之后，他们又通过合适的处理，制备出了强度高达 80GPa 的超强纤维，其强度远超过世界上任何一种纤维材料。这项研究成果被世界知名碳材料专家 Rodney S. Ruoff 称赞为“架起了跨越碳管理论极致性能与宏观碳管纤维实际力学性能之间巨大鸿沟的桥梁”。

2023 年初，张如范课题组在碳纳米管的结构致色方面取得突破。通过原子层沉积技术在碳纳米管纤维上沉积双层氧化物薄膜，利用薄膜干涉效应实现了碳纳米管纤维的宽色域、饱和度亮度可调节的结构致色。解决了长久以来碳纳米管难以致色的问题，大大拓宽了碳纳米管的应用范围。

随后，张如范团队报道了一种彩色碳纳米管纤维的批量制备工艺，发展了一种二氧化硅光子晶体的自组装策略，以一种高效率且低成本的液相方式，实现了碳纳米管纤维的彩色化。相关论文已发表在 ACS Nano 上。

韧劲或如松、或如竹，反复试炼的钢铁与张如范研究碳纳米管的决心相比，却稍显逊色。碳纳米材料作为潜力巨大的下一代超级材料，是未来超强材料和碳基半导体的核心，可用于制造航空天梯等许多目前世界还不存在的产品，有着广泛的应用前景。让我们一同期待，在碳纳米材料强力支撑下，未来太空探索“基建工程”这一逐梦之旅的开启。