将科幻融入现实的终极材料-碳纳米管

如果在未来，人类需要频繁往返地球和太空，火箭的运载力有限并且产生较大的污染和浪费，该如何解决呢？

1978年科幻作家阿瑟·克拉克在《天堂之泉》一书中具体描述了“太空天梯”，将其描述为一根长长的缆绳，人们可以通过这根连接空间站和地面的缆绳往返太空与地面之间，并且将建设材料运到宇宙之中建设太空城市。

既然是天梯，一定要与太空相连，科学家们认为连接物可能是刚性的，更有可能是柔性的，成本更低并且更加可靠。最接近这种设想的就是“新材料之王”碳纳米管(CNTs)。

早在2005年，NASA就正式宣布将“太空天梯”作为“世纪挑战”的首选项目。时至今日这种设想依旧是个挑战严峻的课题，还有许多问题需要解决，但是随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

碳纳米管（CNTs），是一种具有超大长径比的一维空心管状结构的纳米材料。其管壁由一层到数十层的正六边形sp2杂化的碳原子构成，直径为几纳米至数十纳米，长度为微米到毫米甚至厘米。超高强度（被誉为“分子钢筋”）、高导电、高导热及高电磁屏蔽等是碳纳米管最优异的性能。

1991年，日本物理学家饭岛澄男在一次实验中以两根石墨棒作为电极，在其上施加电流，火花在石墨棒之间形成拱形，随之而来的一团碳气体喷出。当含碳空气沉淀在腔壁上时形成了一层薄薄的黑色烟灰，在里面发现了碳纳米管这种新型材料。

接下来的几十年，随着对碳纳米管的深入探索，碳纳米管能够实现广泛应用的根本在于其成熟的制备方法。

常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、CVD法（化学气相沉积法）等。碳纳米管的CVD生长可以在真空或大气下压进行，通过这些方法可以合成大量的碳纳米管，持续增长的进步使得碳纳米管在商业上具有可行性。

CVD法大量合成超长碳纳米管

碳纳米管在声、光、电、力、热、磁方面都具有其他材料无可比拟的优势，通过科学家不断地对碳纳米管结构与性能的研究，以及大规模工程制备技术的研发，碳纳米管的应用已经走到了其他纳米材料的前列。

电子领域

碳纳米管是一种可用于制造大规模集成电路的替代方案，在摩尔定律即将失效的当今，其性能超过了相同尺寸的传统硅晶体管。碳纳米管具有功耗低、效率高等优点是开发下一代晶体管的理想材料。

新能源领域

碳纳米管优良的导电性与化学稳定性，可以在锂电池正极材料的颗粒之间架起一座座桥梁构成导电网络，与导电炭黑相比电阻更低、电子传导更快。同时碳纳米管的柔性特质可以阻止由于充放电体积膨胀引起的锂电池寿命缩短。目前智能设备和新能源汽车都能找到碳纳米管的身影。

生物工程领域

碳纳米管具有生物相容性且无毒，其优异的稳定性不会引发免疫反应，结合导电性和强度碳纳米管作为神经接口材料变得极具吸引力。马斯克的脑机接口研究一直专注于更小的电线，碳纳米管电线可以做到更小、更灵活同时身体更易接受，是潜在改变游戏规则的生物医学植入材料。

加热采暖领域

汉纳材料历经10年时间，独创了碳纳米管面热源技术。经CVD技术合成的高质量碳纳米管经无损分散后制备成均一分散的“碳浆”，再经精密成膜技术做成厚度仅10μm的面热源。

通电后，碳纳米管中的碳原子在电场作用下发生振动，原子核周围的电子发生能级跃迁，在迁移回基态时，以远红外线形式释放能量，进而形成均匀发热的面状发热体。该技术的电-热转化效率高达99.8%，电-远红外线转换效率高达83%。

碳纳米管面热源技术主要应用于三个领域：新能源汽车、建筑楼宇、智能穿戴设备。新能源汽车方面碳纳米管面热源技术可以有效辅助加热电池，减少在低温环境中电量的衰减。采暖方面区别于传统水地暖纳米地暖有着更节能、更快捷、更舒适等优势。同时汉纳材料基于这项技术开发出柔性加热片，为智能可穿戴设备的发展前景提供有力的技术储备。

就像每一项重大材料创新一样，从引领航空航天取得重大突破的硬化铝，到开辟计算机新世界的硅半导体，再到美好人居生活方式的缔造，碳纳米管将打开更多未知新世界的大门。