近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授和張如范副教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在碳納米管的耐疲勞性能研究上取得重大突破，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次以實(shí)驗(yàn)形式，測(cè)試出厘米級(jí)長(zhǎng)度單根碳納米管的超耐疲勞性能。

相關(guān)成果以《超耐久性的超長(zhǎng)碳納米管》(Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes)為題，于 8 月 28 日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志（Science）上，這也是清華大學(xué)化工系首次發(fā)表在《科學(xué)》的文章。

圖 | 本論文的通訊作者之一張如范副教授（圖源：受訪者）

DeepTech 采訪到張如范，他表示，材料的疲勞壽命測(cè)試是一個(gè)非常重要的課題，要想使材料長(zhǎng)期服役，就得知道它的疲勞壽命有多久。

而材料的疲勞壽命，是決定服役時(shí)間的關(guān)鍵指標(biāo)。比如，飛機(jī)使用的金屬材料，如果超出使用年限，可能就會(huì)引發(fā)空難。

碳納米管這一納米材料，發(fā)現(xiàn)于 20 世紀(jì) 90 年代，是由碳納米管以六元環(huán)形式組成的一維管狀結(jié)構(gòu)納米材料，也是目前人類已知的力學(xué)性能最好的材料，它的強(qiáng)度和韌性都非常好，其強(qiáng)度大于 100GPa，楊氏模量大于 1TPa。

圖 | 碳納米管的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用前景

碳納米管的密度只有鋼鐵的六分之一，因此它的質(zhì)量非常輕，但是碳納米管單位質(zhì)量上的拉伸強(qiáng)度，卻是鋼鐵的四百多倍， 遠(yuǎn)超過(guò)目前人類已知的任何其他材料。

由于重量輕、韌性強(qiáng)，因此碳納米管在制備強(qiáng)度遠(yuǎn)超碳纖維的下一代超強(qiáng)纖維方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，在制備飛機(jī)骨架、導(dǎo)彈、火箭以及航天器等尖端領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于任何材料而言，要想使其長(zhǎng)期服役，必須首先要搞清楚其疲勞壽命，從而可以根據(jù)其疲勞壽命設(shè)計(jì)該材料相應(yīng)的服役年限。

但是，碳納米管非常細(xì)，直徑只有人類發(fā)絲的千分之一，由于其超小尺寸特性以及難以被測(cè)試的特點(diǎn)，單根碳納米管的疲勞行為以及疲勞破壞機(jī)制研究是該領(lǐng)域長(zhǎng)期未能搞清楚的重大難題。

因此，發(fā)展一套有效的測(cè)試技術(shù)，探究單根碳納米管的疲勞行為和潛在的破壞機(jī)制，對(duì)于碳納米管的長(zhǎng)期可靠應(yīng)用具有極為重要的意義。

為解決這個(gè)問(wèn)題，魏飛教授和張如范副教授團(tuán)隊(duì)搭建了一個(gè)專用測(cè)量系統(tǒng)——非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)（Acoustic Resonance Test system，ART 系統(tǒng)）。

自研 ART 系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)碳納米管 “驚人” 壽命

相比基于電子顯微鏡的納米材料測(cè)試系統(tǒng)，ART 系統(tǒng)具有四大優(yōu)勢(shì)，其一可以避免電子束導(dǎo)致的樣品損傷，其二讓厘米長(zhǎng)度的一維納米材料的疲勞測(cè)試成為可能，其三解決了小尺寸樣品的夾持問(wèn)題，其四則攻克了高周次循環(huán)載荷的施加問(wèn)題。

圖 | 超長(zhǎng)碳納米管的耐疲勞性能：圖 A-E 為厘米級(jí)超長(zhǎng)碳納米管樣品；圖 F-G 為非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)機(jī)理示意圖；圖 H-I 為超長(zhǎng)碳納米管的耐疲勞性能（來(lái)源：受訪者）

據(jù)張如范介紹，ART 系統(tǒng)的具體工作原理，是在一個(gè)懸空的、單根的碳納米管上負(fù)載一些二氧化鈦納米顆粒，利用這些顆粒對(duì)可見(jiàn)光的散射效應(yīng)，從而可以在光學(xué)顯微鏡下，清晰地看到所制備的超長(zhǎng)碳納米管。

基于這種可視化技術(shù)，就可以對(duì)單根碳納米管進(jìn)行便捷的操縱，然后通過(guò)一個(gè)連接到信號(hào)發(fā)射器的揚(yáng)聲器，發(fā)出不同頻率的聲波，即可用來(lái)驅(qū)動(dòng)懸空碳納米管產(chǎn)生相應(yīng)頻率的受迫振動(dòng)。

此外，通過(guò)懸空碳納米管振動(dòng)的頻率、時(shí)間以及發(fā)生振動(dòng)的振幅，即可計(jì)算出其疲勞壽命。

概括來(lái)說(shuō)，該 ART 系統(tǒng)巧妙解決了單根碳納米管電鏡中難以避免電子輻照損失、光學(xué)顯微鏡下難以觀測(cè)、普通測(cè)試裝備難以加持、難以施加長(zhǎng)周期力學(xué)測(cè)試等各種技術(shù)難題，以一種便捷有效的方式，測(cè)量出單根碳納米管長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)下的疲勞壽命這一關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)。

這是該研究團(tuán)隊(duì)首次以實(shí)驗(yàn)形式，完成碳納米管疲勞壽命的測(cè)試。研究結(jié)果顯示，碳納米管展現(xiàn)出驚人的超長(zhǎng)耐疲勞壽命，在大應(yīng)變循環(huán)拉伸測(cè)試條件下，單根碳納米管可以被連續(xù)拉伸上億次而不發(fā)生斷裂，并且在去掉載荷后，其抗拉強(qiáng)度依然能保持初始強(qiáng)度的 90% 以上。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將為碳納米管在相應(yīng)領(lǐng)域的產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)上，提供重要參考依據(jù)。比如，飛機(jī)在天空飛翔、或起降時(shí)突然發(fā)生解體，常見(jiàn)的原因之一便是材料疲勞。

有了本項(xiàng)研究結(jié)果作參考，材料設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)碳納米管材料的服役壽命時(shí)，就能更加有據(jù)可依。

圖 | 碳納米管作為質(zhì)輕超強(qiáng)材料在許多領(lǐng)域面臨廣闊的應(yīng)用前景（來(lái)源：受訪者）

曾制備出世界最長(zhǎng)碳納米管，“太空天梯”不是夢(mèng)

在西方經(jīng)典中，人類為了通天，曾建過(guò)一座巴別塔。上天攬?jiān)拢彩侵腥A民族古典傳說(shuō)中的美好愿景。可以說(shuō)，上天登月是全人類的夢(mèng)想。

早在一百多年前，被稱作 “人類火箭之父” 的齊奧爾科夫斯基曾提出一項(xiàng)大膽設(shè)想：人類可以制作一座連接地球表面與地球靜止軌道的天梯（總長(zhǎng)度大約 9.6 萬(wàn)公里），從而使人類以超低的成本自由往返太空。

要想制備太空電梯，最關(guān)鍵的問(wèn)題是要尋找一種質(zhì)量足夠強(qiáng)而強(qiáng)度又足夠高的材料。否則的話，若用常規(guī)材料做天梯，僅僅不到十公里的高度，材料自身的重量就足以把他們拉斷。

目前唯一有希望制備太空天梯的材料就是碳納米管。1997 年，《科學(xué)美國(guó)人》雜志以封面的形式刊登了利用碳納米管制備天梯的構(gòu)想圖。2005 年，美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）將尋找用于制造太空天梯的材料列為“世紀(jì)挑戰(zhàn)”。

他們提出的目標(biāo)是尋找一種單位質(zhì)量的比強(qiáng)度達(dá)到 7.5 GPa/(g/cm3)的材料。而目前最好的碳纖維的質(zhì)量比強(qiáng)度約為 3.5 GPa/(g/cm3)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該目標(biāo)。這項(xiàng)挑戰(zhàn)一直到 2011 年項(xiàng)目取消都沒(méi)有人能夠?qū)崿F(xiàn)上述目標(biāo)。

圖 | 碳納米管制作 “天梯” 的設(shè)想

不過(guò)要實(shí)現(xiàn)登上 “天梯” 的夢(mèng)想，就需要制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到米級(jí)以上的碳納米管。

自碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，如何提高其長(zhǎng)度一直是未能攻克的世界難題。在 2010 年清華大學(xué)制備出 20 厘米的碳納米管后，國(guó)際上再也沒(méi)有新的突破。

就碳納米管在高溫中的生長(zhǎng)過(guò)程而言，催化劑失活是不可逆的規(guī)律，這會(huì)直接限制碳納米管的長(zhǎng)度。而且一旦催化劑失活，碳納米管密度就會(huì)急劇下降。因此，最大限度地提高催化劑活性概率，是進(jìn)一步提高碳納米管長(zhǎng)度的唯一途徑。

2013 年，還是清華大學(xué)化工系一名博士生的張如范結(jié)合材料制備和化工技術(shù)學(xué)科的交叉優(yōu)勢(shì)，對(duì)碳納米管的制備方法進(jìn)行大膽創(chuàng)新，將碳納米管的催化劑活性概率大幅提升，在世界上首次制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米以上的碳納米管，創(chuàng)造出新的世界紀(jì)錄，并以第一作者的身份在納米領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì) - 納米》（ACS Nano）上發(fā)表相關(guān)論文，相關(guān)工作被國(guó)內(nèi)外媒體報(bào)道，引起了廣泛關(guān)注。

圖 | 2013 年 7 月 21 日張如范所在團(tuán)隊(duì)制備出世界最長(zhǎng)碳納米管（來(lái)源：受訪者）

留學(xué)斯坦福，又回清華園

2014 年博士畢業(yè)后，張如范赴美國(guó)斯坦福大學(xué)材料系崔屹教授課題組做了三年的博士后研究。2018 年，張如范入職清華大學(xué)化工系，目前是清華大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師、特別研究員，成立獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)。

兩年以來(lái)，張如范主要從事碳納米材料以及功能納米材料的可控制備及其應(yīng)用的研究，并以通訊作者身份在 Science、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Small Methods、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal 等期刊發(fā)表論文十余篇。

2018 年，憑借在超長(zhǎng)碳納米管研究領(lǐng)域取得的突出成果，張如范上榜 2018 年《麻省理工科技評(píng)論》中國(guó)區(qū)“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”。隨后，張如范還獲得 2018 年中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、2018 中國(guó)新銳科技人物、2019 年侯德榜化工科學(xué)技術(shù)青年獎(jiǎng)等多種榮譽(yù)。

這位來(lái)自山東聊城的青年學(xué)者，日后仍會(huì)繼續(xù)在碳納米管領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān)。無(wú)論是碳納米管超強(qiáng)纖維、碳納米管超級(jí)電纜還是碳納米管芯片，其承載的都是人類對(duì)高科技的美好愿景。而張如范等科研人員，正是背后那默默耕耘的造夢(mèng)人。

文章來(lái)源： DeepTech深科技