在《三体》中，“纳米技术飞刃”削切硬块化于无形展现了碳纳米管一个显著特点——质量轻高强度。之所以这么细碳纳米管会有这么高的抗压强度，通常是碳纳米管由碳碳键所组成的六元环构造极致联接，若想破坏掉碳纳米管，就必须要让碳碳键产生破裂，这需要提供非常高的动能才能达到。

近日，由刘慈欣小说改编电视连续剧《三体》完美收官，但是《三体》的人气依然在持续。在其中剧里有一种名为“纳米技术飞刃”的纳米复合材料，只能发丝的十分之一大小，肉眼看不清，但是却能够激光切割钢材以及各种硬块，所向披靡。别以为“纳米技术飞刃”那样奇妙，不过它原型便是赫赫有名的碳纳米管。

制取极致碳纳米管标准严苛

被称作“二十世纪最奇妙的纳米复合材料”之一的碳纳米管是碳材料家族中的一员。

“碳纳米管便是管形的纳米高纯石墨结晶，分成单壁跟多壁碳纳米管。”天津大学材料科学与工程学院纳米技术及复合材料研究所的沙军威副教授职称表述，氧原子以不同排序方式产生各类材料，层叠在一起就是高纯石墨，脱离出去单面的二维材料便是石墨烯材料，而将石墨烯片层叠成管形便是碳纳米管。

“在《三体》中，‘纳米技术飞刃’削切硬块化于无形展现了碳纳米管一个显著特点——质量轻高强度。”沙军威详细介绍，之所以这么细碳纳米管会有这么高的抗压强度，通常是碳纳米管由碳碳键所组成的六元环构造极致联接，若想破坏掉碳纳米管，就必须要让碳碳键产生破裂，这需要提供非常高的动能才能达到。

正是如此，碳纳米管有着极高的抗拉强度、杨氏模量和拉伸强度。碳纳米管基础理论抗压强度可达到钢材的100倍，与此同时碳纳米管相对密度又极低，仅有钢的1/6。

“所以从理论上来说，‘纳米技术飞刃’是能够达到的。”沙军威说，但是在现实生活中，要有“纳米技术飞刃”却难以。

难度系数主要表现在哪几个方面？以现在的技术水平，难以创造出程增强完美原子排列构造。“纳米技术飞刃”孔径仅有一纳米，可是长短确实有上一百米，不要说100米，即便是仅有1米，和孔径对比，二者之间也相距了9个量级。等同于一根1mm粗一点绳索要100千米长。并且要确保绳索持续，这就需要这100千米没有一个缺点。

“现阶段在实验室制取碳纳米管采用的是化学气相沉积法。如果想得到完美碳纳米管，必须要有非常稳定的气旋，不可以有一点振荡，也是非常困难的。”沙军威表明，碳纳米管在生长过程中，假如气体压力或气旋方位发生一些转变，或是实验仪器内的温度略有振荡，都会引进缺点，乃至导致其停止发育。现阶段的新闻中世界最长的碳纳米管是通过清华大学魏飞专家教授率领的精英团队制取出来的，其单条长短可达到50厘米之上。

天生就有“遗传基因”优点

除开质量轻高强度的特点外，碳纳米管还具备很多电力学和机械等方面的优势特性，利用这个特性能够设计出许多性能优异的复合材质。

因为碳纳米管的结构与碳化硅的层状构造同样，因而碳纳米管也具备和石墨烯材料一样的优良导电率。“碳纳米管电阻器及与长短、孔径不相干，电子器件根据碳纳米管时不会造成发热量加温碳纳米管。电子器件在碳纳米管里的传送如同数据信号在电子光学化学纤维电缆线里的传送一样，能量损失细微，因而碳纳米管具有优异的导电性，是一种出色的导电性添加物。”沙军威详细介绍，除此之外，碳纳米管还可以应用于透明导电薄膜、纳米技术输电线、电子元器件制作。

碳纳米管强度大却不焦。弯折碳纳米管或者在径向并对施压时，即便外力作用超出欧拉白猫屈服极限或弯折屈服极限，碳纳米管都不会破裂，反而是最先产生大方向弯折，当外力作用释放出来后，碳纳米管又恢复正常。与此同时，碳纳米管物理性质平稳，具备耐碱性和耐酸性。因而碳纳米管也被做为复合材质增强体导入到金属材料、塑胶、塑胶、混凝土等中。

沙军威详细介绍：“用碳纳米管原材料提高塑料物理性能优质、导电率好、抗腐蚀，可屏蔽掉电磁波；应用混凝土做基材的碳纳米管复合材质抗冲击性好、抗静电、抗磨损、稳定性高，不容易对周围环境产生影响；碳纳米管提高复合材料强度大，能够实现非常好的抗压强度、韧性的配对，综合性物理性能出色。”

碳纳米管还具有较好的贮氢性能优异的嵌锂特点。“因为碳纳米管本身有高比表面，再经加工后具有优异的贮氢水平。”沙军威详细介绍，除此之外，碳纳米管中空管腔、管和管之间的间隙、壁厚中高层与层之间的空隙及管结构中的很多缺点，为锂离子电池提供了丰富的内存空间和运输通道。因此碳纳米管又被用以纳米复合材料及其电池电极原材料(充电电池、超电容器、新型锂电池等)。

“我们团队与美国莱斯大学詹姆斯·图尔教授团队协作，研发了高效液相金属催化剂法，完成了随意碳材料基材上碳纳米管阵型可操纵备，而且在储能材料行业完成了运用。”沙军威说。

除此之外，运用碳纳米管表面缺陷强化的反应活性，大家还可以将碳纳米管用于催化氧化、电催化行业。南京东焱氢能源科技有限公司与南京大学固体微结构物理国家重点实验室协作的一项研究，为碳纳米管做为金属催化剂提供了一种行得通构思。她们对多壁碳纳米管开展高温氧化并引入硼元素，以后将其作为媒介，完成制取了有着基酶的铂基金属催化剂。

未来应用紧紧围绕三大特性进行

碳纳米管现阶段产业发展运用比较多的是做为锂离子电池电池的正极导电性添加物。碳纳米管和石墨烯导电添加物相较于传统导电剂具备导电性好、使用量小一点特性。

现阶段碳纳米管在这一行的占有率，也已经超过20%。业内人士统计分析，超出90%的中高档数码科技锂电池厂家已经将碳纳米管做为导电性添加物用以电池制造，例如比亚迪、比克电池等。

据权威机构预测分析，3年之后碳纳米管导电性添加物需要量有望突破60万吨级，销售市场规模超过35亿人民币，年复合增长率超出40%。

“除开用以导电性添加物，将来碳纳米管会在许多行业大有可为，但是其主要应用少不了它最主要的三大特性。”沙军威详细介绍，首先是质量轻高强度。像沙军威所属精英团队研制的碳纳米管提高铝基复合材料就能运用在火箭弹等航空器上。“针对生产制造航天飞机的原材料而言，最重要的就是质量轻高强度。铝比现阶段用于航天飞机制造出来的钢和钛质量轻许多，可是硬度和抗压强度不足，加入碳纳米管，就能实现质量轻高强度，发送成本费会大幅度下降。”沙军威表明。

因为碳纳米管具有较好的导电性、导热性，因而还可以将它导入到塑胶、纺织原料中，美国莱斯大学科研人员就使用交织的碳纳米管化学纤维制做了一件可作为心率监测装置的衬衫。

除此之外，因为碳纳米管具备表面缺陷强化的反应活性，使得其在催化反应应用领域也大势所趋。“如用碳纳米管做为金属催化剂电解水制氢，把二氧化碳转化为工业甲醇等有机化合物，全是现阶段科学研究最热门的。”沙军威详细介绍。