一代新材料，铸造一代新装备，强大一代新产业。尖端新材料碳纳米管，被业界认为是目前最接近《三体》小说中“纳米飞刃”的原型。碳纳米管长什么样、如何制备出来、目前有哪些应用？记者近日来到中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，亲密接触这一神奇的“六边形战士”——碳纳米管。
《三体》名场面“古筝行动”中，只有头发丝1/10粗细的“纳米飞刃”，把“审判日”号巨轮切割成“面包片”。“纳米飞刃”在现实中尚不存在，但比较接近其原型的碳纳米管的确有着超高强度特性。
“按照理论来说，碳纳米管强度最高可达200GPa，这意味着200根比头发丝还细的碳纳米管就可以拉起一辆汽车。”中国科学院苏州纳米所副所长、博士生导师李清文介绍，碳纳米管是材料界当之无愧的“六边形战士”，兼具高分子和金属的优势。其密度仅为钢的1/6，但弹性模量是钢的5倍，抗拉强度是钢的100倍，常温下热导率也远超其他金属材料。
这种神奇的材料长啥样？李清文解释，碳纳米管是由单层或多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构，其卷曲角度不同，电学性质也不同，可展现出金属性和半导体性，因此成为新型电子器件的重要基材。“目前碳纳米管可以制备出粉体、纤维、薄膜、泡沫等多种形态，所面临的共性难度在于如何实现稳定均一、连续、规模化、低成本制备。”
从肉眼不可见的微观材料，到实体化产品，碳纳米管走过数十年道路。李清文告诉记者，多年来，聚焦碳纳米管的制备和应用，中国科学院苏州纳米所“兵分两路”，一队研发碳纳米管分离技术，为集成电路提供材料基础；另一队则负责将碳纳米管加工成超级纤维和超轻高导电碳纳米管薄膜材料，并开展产业化应用。
一代代材料发展背后，是一代代材料人的接力攻坚。李清文回忆，“2000年初，碳纳米管的合成工艺离工程化还有相当一段距离，当时的石墨烯研究热也‘卷’走一批人，但在前辈们激励和带领下，我们继续坚守碳纳米管领域。”
经过10余年努力，团队突破碳纳米管薄膜的连续批量制备关键技术，形成低成本、百万平方米的高性能碳纳米管薄膜产业化能力，自主研制碳纳米管气相连续成膜核心装备，形成国际先进的薄膜产业化技术。2011年开始，为将碳纳米管薄膜推向市场，苏州捷迪纳米科技有限公司应运而生。
“有同事曾经把碳纳米管薄膜带回家，被家人误以为是黑色塑料袋。”捷迪纳米公司董事长梁青拿出一片巴掌大小的黑色薄膜笑道，这小小的一片薄膜包含有超过200亿根碳纳米管。如今，公司将碳纳米管薄膜应用于智能穿戴加热等领域，具有自主知识产权，研发水平全球领先。
带电源键、智能控温的保暖背心和防寒服，根据人体不同部位设计温度区、与手机健康数据相连的智暖毯、暖宫带、护腰带……在捷迪纳米公司，记者看到多款“植入”碳纳米管的智能电加热产品。“碳纳米管薄膜超柔韧、超轻薄，被缝制在衣物夹层几乎‘无感’，作为电热转换装置的一部分，再搭配充电宝等外接电源使用，电热转换效率可达99.5%。特别之处在于，这些产品都耐水洗。”梁青说，公司研制出国际领先的耐水洗、长续时、高热效电热模组，实现国内仅有的碳纳米管薄膜应用产业化，产品先后荣获“深圳高交会优秀产品奖”“德国IF设计奖”等奖项，成为国内外30多家知名品牌首选合作方。
“随着技术的突破，我们一年产量达到数十万平方米，成本也接近有机膜。”李清文说，团队持续对碳纳米管的制备关键技术及工艺进行优化，推动其产业化落地的进程，打通碳纳米管薄膜从制备、性能调控到终端产品研发与应用的整条产业链。
碳纳米管还有望在智能家居、风力发电、固态储氢等领域大展身手。“风电叶片一旦遭遇冻雨，将无法正常工作，这是全世界面临的难题。”梁青告诉记者，团队正在尝试给风电叶片“穿上”碳纳米管薄膜，助其快速除冰。该项应用完成了地面实验，预计今年底上机实验。
作为储氢新兴技术，固态储氢有着储氢密度高、安全性能好等优势。但是，固态储氢的难点在于需要加热到300℃才能发生化学反应、释放氢气。传统的电热丝加热，加热时间长、能耗高，经济性差。“通过碳纳米管薄膜加热后可迅速升温、在真空中温度最高可达2000℃以上，或将带来固态储氢经济性大幅提升。”梁青说。
“新材料是带动产业变革的重要引擎。”李清文表示，新质生产力具有高科技、高效能、高质量的特征，能够带动新产业发展，其中高效能又着重体现在更节能、更绿色。“碳纳米管的应用和产业化还有很长的路要走，我们希望通过自主研发的技术，让碳纳米管走进千行百业、服务千家万户。”
新华日报·交汇点记者 蔡姝雯 杨易臻
实习生 孔梓萱
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