自碳納米管被發(fā)現(xiàn)30年來(lái)，我國(guó)研究水平基本上與世界先進(jìn)水平并駕齊驅(qū)，并在部分領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先。碳納米管導(dǎo)電劑一改我國(guó)鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面;碳納米管薄膜成功用于高端戶外保暖服以及醫(yī)療康復(fù)等產(chǎn)業(yè);基于半導(dǎo)體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅(qū)動(dòng)器件也被開(kāi)發(fā)出來(lái)……

近日，國(guó)內(nèi)最大的碳納米管生產(chǎn)企業(yè)——江蘇天奈科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱天奈科技)發(fā)布公告稱，預(yù)計(jì)2021年上半年實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)1.1億—1.5億元，同比增加235.41%—357.37%。業(yè)績(jī)高速增長(zhǎng)歸功于該公司開(kāi)發(fā)的碳納米管導(dǎo)電劑，一改我國(guó)鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面。

自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管就在全球范圍內(nèi)掀起一股研究熱潮。近年來(lái)，全球加速挖掘碳納米管技術(shù)落地的途徑，相關(guān)技術(shù)突破成果不斷。

一根長(zhǎng)度米級(jí)、直徑納米級(jí)的管

作為最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演著舉足輕重的角色。1985年，“足球”結(jié)構(gòu)的C60一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男在電弧法制備的碳材料中觀察到了碳納米管，從此開(kāi)啟了碳納米管研究的熱潮。

“從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，碳納米管可以形象地看做是由單層或者多層石墨烯無(wú)縫卷曲而成的中空管狀結(jié)構(gòu)。”中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所(以下簡(jiǎn)稱蘇州納米所)研究員李清文告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

碳納米管就像一根細(xì)長(zhǎng)的頭發(fā)絲，它的長(zhǎng)度可以達(dá)到米級(jí)，而直徑卻可以小到納米尺度。這么細(xì)長(zhǎng)的納米管狀結(jié)構(gòu)是怎么制備出來(lái)的呢?

飯島澄男首次發(fā)現(xiàn)的碳納米管是通過(guò)電弧放電法制得的。現(xiàn)在，碳納米管已經(jīng)發(fā)展出激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、固相熱解法等多種制備方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易于規(guī)模化制備而被廣泛采用。

李清文介紹說(shuō)，用CVD制備碳納米管時(shí)，碳原子在催化劑表面吸附、擴(kuò)散、溶解并達(dá)到飽和后析出形成碳納米管。催化劑作為碳納米管成核生長(zhǎng)的位點(diǎn)，對(duì)于碳納米管的直徑、壁數(shù)、手性起著決定性作用。催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及生長(zhǎng)條件調(diào)控是實(shí)現(xiàn)碳納米管可控生長(zhǎng)的重要途徑。

作為納米碳材料家族的重要一員，碳納米管以其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)特性被譽(yù)為“萬(wàn)能基材”，在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料、電池電極、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、富勒烯的發(fā)現(xiàn)者斯莫利認(rèn)為，碳納米管是人們所能制造出來(lái)的最強(qiáng)、最剛、最硬的材料，同時(shí)也是最好的熱和電的導(dǎo)體。

“碳納米管強(qiáng)度是同體積鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6—1/7。”李清文解釋說(shuō)，碳納米管的長(zhǎng)徑比達(dá)106以上，因而又被稱作超級(jí)纖維。

碳納米管的奇特之處還在于其特殊的電學(xué)性質(zhì)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，碳納米管可展現(xiàn)出金屬性和半導(dǎo)體性，為開(kāi)發(fā)新型電子器件奠定了基礎(chǔ)。

我國(guó)研究達(dá)到世界先進(jìn)水平

碳納米管的研究至今已有30年，李清文認(rèn)為，我國(guó)科學(xué)家在碳納米管方面的研究水平基本上與世界先進(jìn)水平并駕齊驅(qū)，并在部分領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。

在碳納米管基礎(chǔ)研究方面，北京大學(xué)張錦團(tuán)隊(duì)、李彥團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電性可控碳納米管合成、單手性碳納米管合成與分離等方面做出了重要貢獻(xiàn)。北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)在碳納米管電子器件方面取得了重大進(jìn)展。在碳納米管應(yīng)用方面，清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)在碳納米管宏量制備、高強(qiáng)碳納米管纖維、碳納米管導(dǎo)電添加劑等方面業(yè)績(jī)不菲。

作為我國(guó)納米材料研究的國(guó)家隊(duì)，蘇州納米所從2007年起，一直圍繞碳納米管可控制備和前沿應(yīng)用開(kāi)展研究工作，發(fā)表高水平論文300余篇，在電子級(jí)單壁碳納米管分離、碳納米管纖維與薄膜的規(guī)模制備、碳納米管復(fù)合材料以及能源器件應(yīng)用方面取得多項(xiàng)重大成果。

2013年，以平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小“計(jì)算機(jī)”誕生。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸一次次被突破。

如何獲得高純度、高質(zhì)量的半導(dǎo)體型單壁碳納米管是實(shí)現(xiàn)電子級(jí)應(yīng)用的前提。

李清文告訴記者，她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)于2018年實(shí)現(xiàn)了純度大于99.99%的半導(dǎo)體型單壁碳納米管的高濃度分離，以及部分單手性碳納米管的高效篩選。在此基礎(chǔ)上，他們與國(guó)內(nèi)其他高校院所合作，共同實(shí)現(xiàn)了基于半導(dǎo)體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅(qū)動(dòng)器件的開(kāi)發(fā)。

被稱作超級(jí)纖維的碳納米管，制成纖維與薄膜后，與傳統(tǒng)高性能纖維和薄膜材料相比，具有優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。

經(jīng)過(guò)多年研究，目前李清文團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)連續(xù)碳納米管纖維連續(xù)制備，突破了萬(wàn)平方米級(jí)碳納米管薄膜的干法規(guī)?；苽浼夹g(shù)。

同時(shí)，蘇州納米所科研人員采用高取向碳納米管薄膜開(kāi)發(fā)了碳納米管含量高達(dá)60%以上的新型碳納米管復(fù)合材料，其強(qiáng)度為碳纖維復(fù)合材料的兩倍以上;開(kāi)發(fā)了碳納米管薄膜的電熱固化復(fù)合材料新工藝，有望為復(fù)合材料在線修復(fù)、機(jī)翼除冰帶來(lái)新的設(shè)計(jì)策略。

碳納米管研究成果加速落地

被稱為“黑金”的碳納米管，曾被科學(xué)家預(yù)言，有望成為“徹底改變21世紀(jì)”的神奇材料之一。

作為目前中國(guó)碳納米管的龍頭企業(yè)，天奈科技成功開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的催化反應(yīng)工藝，實(shí)現(xiàn)了碳納米管的連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)能力可達(dá)千噸級(jí)。近兩年，天奈科技的碳納米管導(dǎo)電劑產(chǎn)品出貨量和銷(xiāo)售額均居行業(yè)首位，一改我國(guó)鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面。

鋰電池導(dǎo)電劑的利用，只是碳納米管產(chǎn)業(yè)化的冰山一角。

作為國(guó)家戰(zhàn)略新興材料，碳納米管材料在導(dǎo)電塑料、輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護(hù)、智能材料、電子器件等方面也具有廣泛的應(yīng)用。其中基于碳納米管的加熱膜、導(dǎo)電塑料、復(fù)合材料等材料的市場(chǎng)前景也越來(lái)越好。

“我們?cè)诩訌?qiáng)前沿探索的同時(shí)，積極開(kāi)展碳納米管的應(yīng)用研發(fā)，發(fā)展出輕量化碳納米管/金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)線技術(shù)，以及衛(wèi)星用輕質(zhì)電纜。開(kāi)發(fā)的碳納米管加熱保暖服裝已獲得多家國(guó)際品牌使用，成為冬奧會(huì)產(chǎn)品之一。”李清文說(shuō)?；谠搱F(tuán)隊(duì)的技術(shù)，蘇州捷迪納米科技有限公司實(shí)現(xiàn)了碳納米管薄膜的產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)能達(dá)10萬(wàn)平方米/年，成功開(kāi)拓了該產(chǎn)品在高端戶外保暖服以及醫(yī)療康復(fù)等方面的應(yīng)用。

“碳納米管作為一種新興材料，未來(lái)還可能拓展應(yīng)用于導(dǎo)電塑料、半導(dǎo)體器件、輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護(hù)、智能器件等領(lǐng)域，并有望給這些領(lǐng)域帶來(lái)變革性的發(fā)展。”李清文說(shuō)。