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“碳纳米管宏观体的研究”获国家自然科学奖二等奖

“妙手”连通纳米材料与宏观世界

●新闻中心记者 程曦 

  在奇妙而又神秘的纳米世界里,碳纳米管是最具代表性的材料之一。它由石墨层片按一定螺旋角卷曲而成,具有独特的结构、优异的性能和广阔的应用前景。然而自从1991年被日本电镜学家发现后,碳纳米管大多只能以微米量级的“娇小身躯”存在着,这影响了人们对其性能和应用的认识。谁能拥有一双巧夺天工的“妙手”,打造出至少一维尺度在厘米量级以上、可对其进行宏观操控的碳纳米管宏观体呢?全世界科学家都在关注和追寻。

 经过十余年孜孜不倦的研究,由清华大学机械系吴德海教授带领的研究小组找到了这双“妙手”。他们先是直接合成了长达40 cm的单壁碳纳米管长丝(这是迄今为止最长、最强的单壁碳纳米管),随后又成功合成长度为10~35cm的双壁碳纳米管长丝和宏观薄膜,以及厚度达6 mm的定向碳纳米管薄膜。他们还率先提出碳纳米管电灯泡的概念,初步研究已经发现碳纳米管灯丝的多种优异性能,Science编辑部评述说“这可能是第一个清晰可见的、表明纳米技术具有更高效率的实例”。2007年2月,“碳纳米管宏观体的研究”获2006年度国家自然科学奖二等奖。

  开掘自由探索的“金矿”

 1990年被遴选为博士生导师后,吴德海考虑告别自己研究了30多年的铸造领域。这一领域虽然重要,但由于学科发展的历史十分悠久,相比于那些新兴学科和新兴领域,可供挖掘和拓展的研究空间毕竟有限,博士生很难再从中发掘出具有突破性的创新成果。从1990年到1992年,吴德海花了很大精力,钻研大量文献,决意要在学科交叉的前沿领域开疆辟土,为博士生找到一座深具创新潜力的“金矿”。

 碳的第三种晶体形式——C60的发现给了他鼓舞和启示。吴德海和球墨铸铁打了多年交道,一度认为球形应该就是石墨变化的最佳形态了,C60独特的面心立方结构让他看到物质世界充满了变化与可能。不久后,他又得知碳的第四种同素异形体——碳纳米管被电镜“捕捉”的消息。这种新型纳米材料轰动了世界,也将吴德海从二维石墨与三维金刚石的领域带入了神奇的一维纳米世界。

 1992年,吴德海和研究生一起开始了碳纳米管的相关研究。人手有限,条件有限,但他们克服重重困难,毅然开始了最初的探索。吴德海小组的前期工作主要围绕碳纳米管在各种极端物理条件下向金刚石的转化而进行。他们逐渐熟悉了碳纳米管的各种性能,积累了很多研究经验。

 但仅将研究放在电镜下进行是远远不够的。一方面,科学家们正在世界各个角落进行着同样的工作;另一方面,呈一维、微米尺寸的碳纳米管难以在工程上得到应用,因此必须开展碳纳米管宏观体的研究,制备出长度达到厘米、甚至分米量级的碳纳米管束,以及厘米级面积的定向碳纳米管膜,才能充分发挥碳纳米管独特的力学、电学、热学等性能。从1998年开始,吴德海和他的研究生们将研究目标“锁定”在碳纳米管宏观体上。

  碳纳米管宏观体的宏观照片和高分辨透射电镜照片

  打造最长、最强的单壁碳纳米管

 2001年夏天,是一段令吴德海小组的每位成员都难以忘怀的日子:5月底,吴德海患病住进医院,在此期间,博士生朱宏伟和同伴用化学气相沉积方法合成单壁碳纳米管,在不停改变实验参数的过程中,意外地合成厘米量级的超长单壁碳纳米管!与人们常见的粉状碳纳米管不同,他们的单壁碳纳米管长丝足有20厘米长,而且犹如一根美丽的长发,整齐有序。听了学生的讲述,躺在病床上的吴德海兴奋异常。

 令人兴奋的不仅是这根碳纳米管出众的长度。朱宏伟工作的突破性意义更在于发现了碳纳米管的原位生长,也就是全凭碳原子自身的堆积与结晶来生长。此外,它是仅有一层的单壁管,这意味着人们将有望通过它来探知碳纳米管宏观体最本质的性能。

 最初的论文投到Nature,编辑部建议他们补充性能方面的实验数据。吴德海师生找遍了当时国内所有能够测量性能(尤其是力学性能)的研究单位,但是由于这一材料的特殊性,他们只能一次又一次失望而归。万般无奈之下,吴德海想到了他的博士生、合作者——在美国著名的伦塞勒理工学院(RPI)做博士后的魏秉庆。在RPI,魏秉庆终于用所需装置完成了实测,实测结果非常令人振奋:这是迄今为止直接合成的最长的连续单壁碳纳米管,抗拉强度、弹性模量等达到目前碳纳米管实测的最高值。

 2002年5月3日,朱宏伟等人在Science杂志上发表了题为Direct Synthesis of Long Single-Walled Carbon Nanotube Strands(《直接合成超长单壁碳纳米管》)的论文。这是清华博士研究生首次以第一作者身份在Science上发表文章。

 中科院在《2003科学发展报告》中介绍了2002年中国科学家具有代表性的9项工作,清华大学朱宏伟、吴德海、徐才录等研究人员成功制备超长单壁碳纳米管就是其中之一。

碳纳米管电灯泡(右)和钨丝白炽灯(左)的亮度对比  

  碳纳米管电灯泡:并非简单的“回归”

 朱宏伟等人制备的超长单壁碳纳米管就像一块“敲门砖”,为课题组打开了一扇通往多彩纳米世界的大门。在此基础上,此后短短数年时间里,他们又推出了一系列令人瞩目的研究成果。

 博士生韦进全在单壁碳纳米管的基础上,采用催化裂解法成功合成了双壁碳纳米管宏观薄膜和长丝,其工艺参数范围比单壁碳纳米管更宽;博士生曹安源、张先锋等实现了大面积定向碳纳米管膜的快速、可控生长,碳纳米管面积达到500cm2,厚度达6mm,平均生长速率达50μm/min,是文献报道的2倍。同时提出可以用XRD(X-Ray diffraction,X射线衍射)来表征碳纳米管膜的定向程度;韦进全还发现添加剂硫能够促进碳纳米管的可控生长,随着硫浓度的适量增加,碳纳米管会呈现单壁、双壁、多壁的不同层次,也就是说,可以通过对硫浓度的细微改变来实现对碳纳米管层数的控制!人们眼中一度显得微小无序而又不可捉摸的碳纳米管,一旦到了这组人手里,仿佛就变得充满活力而又“乖巧听话”了。

 从1998年到2006年,吴德海指导研究生对碳纳米管宏观体的电学、热学等物理性能进行了深入透彻的研究,出版专著两部,另有107篇论文被SCI收录,被引用次数达1096次;课题组共取得4项国家发明专利,其中一项同时获得美国专利,并将其有偿转让给了美国一家公司。

 课题组的探索并不仅仅停留在纸面上。面对碳纳米管至今仍未真正得到应用的现实,他们一直在努力填平从理论通往彼岸的鸿沟。比如碳纳米管薄膜,研究发现其对太阳能的吸收比可达99%,这无疑预示着它在能源领域的广阔应用前景。

 更激动人心的是碳纳米管电灯泡概念的首次提出。2004年,韦进全发现碳纳米管具有明显的电致发光性能,这一看似普通的物理现象拨动了他们敏感的心弦。它可以得到应用吗?这时,魏秉庆提出了进一步制作碳纳米管灯泡的建议。灯泡封装场所遍寻无着,韦进全就到校外找了一位玻璃工人,勉强用手工封装出一个以碳纳米管做灯丝的灯泡。随后在某研究所进行的辐射性能测试表明,碳纳米管具有比黑体辐射更高的发光效率,可能具有冷光行为,同时还表现出发光阈值电压低、相同电压下照度更高、特别是电阻随温度变化不明显等特点,节能潜力很大。碳纳米管作为灯丝的初步研究结果在APL(Applied Physics Letters,《应用物理快讯》杂志)上发表后,Nature编辑部当周即发表评论,说这是对爱迪生电灯泡的一种“回归”,因为爱迪生在发明钨丝电灯泡前,最早也是用碳做灯丝的。但这决不仅仅是一个简单的“复古”与回归,正如Science编辑部在评论中所言,碳纳米管电灯泡可能成为“第一个清晰可见的、表明纳米技术具有更高效率的实例”。碳纳米管在各种应用领域“大显身手”的日子,正在一步步逼近。

  要亲手将应用设想变为现实

 吴德海将课题组的主要成果归功于门下的研究生,而用“密切合作”四个字概括自己的角色和作用。事实上,在他精心培育的15名博士生中,有一人在Science杂志发文,两人入选全国优秀博士论文,8人入选全校优秀博士论文,还有3位“清华大学优秀博士毕业生”和5位“航天海鹰杯”学术新秀获得者。他们的成长,受益于这一前沿课题的激发,当然也受益于吴德海的言传身教。

 在Science上发文后,朱宏伟曾经满含感情地谈起自己的导师:“他非常令人尊敬,治学严谨,宽以待人。他对工作的执着,给了我莫大的鼓励,使我在一次又一次的实验失败后顽强坚持了下来。”韦进全则对读研之初吴老师和他的一番长谈记忆犹新。当时,吴德海向他描述了碳纳米管研究的美好前景,还说了一句特别朴实的话:“人总要对社会有所贡献,不然就白活了。自己掌握的本领越大,对社会的贡献自然也越大。”从那以后,“苦练本领”就成了韦进全朴素的信条。

 吴德海半开玩笑地说,课题组成员的家属可能都会有意见,因为成员们白天做实验、晚上写东西,连跟家人说话的时间都很少,假期也常常不回家。没有人要求他们这么做,吸引他们的是这一课题充满的无穷魅力。每一项全新的发现,每一次来自国际同行的肯定,都会激励他们不断超越已有成果,向广袤的未知领域继续进发。

 针对碳纳米管宏观体的独特性能,人们已经有了很多美好的设想:它将是未来从地球到月球的“天梯”的制备材料;如果能用碳纳米管开发出集成电路,中央处理器的主频将获得前所未有的提高;碳纳米管线若能制成织物,将坚固得可以做防弹背心……然而这一切的一切,都要以高品质碳纳米管的可控、大规模制备技术为前提。将应用设想变成现实,正是研究组下一步的攻关目标。也许在不久的将来,这支日益壮大的研究团队就会找到另一双神奇的“妙手”。

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2007-03-27]
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