碳納米管纖維的創(chuàng)新

碳納米管纖維原本屬于新型材料，其研發(fā)潛力不是傳統(tǒng)材料所能媲美的。美國化學(xué)和生物分子工程師馬蒂歐·帕斯夸利（Matteo Pasquali）在萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室做的一份碳纖維試驗(yàn)報(bào)告中說，最強(qiáng)和最能導(dǎo)電的纖維已開發(fā)出來。其原理是用經(jīng)濕處理的紡絲再經(jīng)長碳納米管加工制成。

研究人員指出，濕紡碳納米管纖維可引發(fā)許多醫(yī)療和材料應(yīng)用領(lǐng)域的突破，這類材料每三年其強(qiáng)度和導(dǎo)電率就增強(qiáng)一倍，這一研發(fā)突破了近20年的技術(shù)屏障。他們雖然沒有遵循摩爾定律，卻為將來發(fā)展設(shè)定了幾十年的基礎(chǔ)。該專家團(tuán)隊(duì)正是以其首創(chuàng)的制造碳納米管纖維的方法開創(chuàng)了碳納米管纖維的新紀(jì)元。

當(dāng)然，這類螺線纖維暫時(shí)只能在實(shí)驗(yàn)室中制造，其橫截面有數(shù)千萬根納米管，研究人員設(shè)法用作修復(fù)受損的心臟搭橋，或作為大腦替代物的接口，或用于人工耳蝸、柔性天線以及汽車和航空航天，但相關(guān)的研究尚需時(shí)日。

該研究項(xiàng)目屬于美國碳原子研究中心項(xiàng)目的一部分，也是一項(xiàng)多所大學(xué)介入的研發(fā)項(xiàng)目。萊斯大學(xué)還為此與多家公司聯(lián)手，在殼牌石油公司、普里斯米安公司和日本三菱公司的支持下于2019年發(fā)起研究，旨在創(chuàng)造零排放的未來。

帕斯夸利說，碳納米管纖維一直被認(rèn)為是具有潛在優(yōu)越特性的材料。萊斯大學(xué)和其他單位經(jīng)20年的研究已逐漸使這一潛力變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在，他們最需要的是在全球范圍內(nèi)努力提高研發(fā)效率，以使這些材料具有零二氧化碳排放，并有可能同時(shí)產(chǎn)生清潔氫氣的方式。

實(shí)驗(yàn)室記錄的這類纖維特性，其韌性和強(qiáng)度已超過了凱夫拉纖維。這是他們在萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室不斷改進(jìn)其制造纖維方法的結(jié)果。這對研究智能紡織業(yè)來說是一項(xiàng)巨大的成就。其強(qiáng)度若再超一倍，則成為世界上強(qiáng)度最高的纖維。專家們將其稱為“萊斯纖維”，其柔韌性的抗拉強(qiáng)度為4.2千帕，而凱夫拉纖維的抗拉強(qiáng)度僅為3.6千帕。但是，這類纖維需要具備高晶體度的長納米管。也就是說，它的常規(guī)碳原子環(huán)陣列攜帶的缺陷需要更少，其強(qiáng)度就能更強(qiáng)。在萊斯實(shí)驗(yàn)室加工過程中，他們還使用了酸性溶液，這有助于清除可能干擾纖維強(qiáng)度的雜質(zhì)，并通過凈化來增強(qiáng)納米管的金屬性能。

其中納米管的長度與長寬比是驅(qū)動纖維性能形成的決定性因素。萊斯纖維使用了12微米納米管的表面積，這更能促進(jìn)范德華鍵（van der Waals bonds）的生成。通過控制催化劑中金屬雜質(zhì)的數(shù)量和非晶態(tài)碳雜質(zhì)的數(shù)量，促成納米管的融合并優(yōu)化溶液處理。

研究人員說，這些纖維的電導(dǎo)率已提高到每米10.9兆西門子。這是碳納米管纖維首次通過10兆閾值，所以這類納米管纖維已達(dá)到一個(gè)新的量級。按照標(biāo)準(zhǔn)的重量化，萊斯纖維可達(dá)到銅導(dǎo)電率的80%，但他們已經(jīng)超過了鉑線，這因此給碳納米管纖維的研究突破創(chuàng)造了條件。

該實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是提高優(yōu)質(zhì)纖維的效率，并使其價(jià)格便宜，創(chuàng)造足以納入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的條件。相關(guān)的溶液處理方式在其他種類的纖維生產(chǎn)中也很常見，包括凱夫拉工廠的加工原理，其他廠家也可使用他們熟悉的工藝生產(chǎn)，本質(zhì)上它如其他合成纖維一樣，實(shí)用性很廣，因?yàn)樗旧砭涂缮炜s，并符合合成纖維的制造方式，而廠家無需進(jìn)行重大重組。

有諸多業(yè)界以為，碳納米管永遠(yuǎn)不可能超越人們幾十年來一直在爭論的所有特性。但萊斯纖維卻取得了劃時(shí)代的突破。這雖然說來容易做起來卻要花很多年才能實(shí)現(xiàn)。他們確信，在眾多科學(xué)家的努力下，這項(xiàng)技術(shù)將改變世界。介入其中還有諸多領(lǐng)域的科學(xué)家，如機(jī)械工程、電器和計(jì)算機(jī)工程、物理學(xué)和天文學(xué)、材料科學(xué)和納米工程領(lǐng)域的專家。該項(xiàng)目獲得美國空軍科學(xué)研究局、羅伯特·A·韋爾奇基金會、能源部高級制造局和高級研究計(jì)劃局等單位的支持。

（據(jù)美國《紡織世界》https://www.textileworld.com/textile-world/features/2021/02/no-limit-yet-for-carbonnanotube-fibers/近期資料）