不久之前，中国科幻巨作《三体》被搬上荧幕，为人们展现了一个恢弘的三体世界。作为人类与三体力量展开对决的第一幕，电视剧很好地还原了原著中名场面“古筝行动”。

古筝行动，即人类借助密集排列固定在运河两岸的“纳米飞刃”材料，将航行在巴拿马运河中载有地球三体组织核心成员的“审判日”号巨轮切削成薄片，以此消灭三体组织核心成员，并获取三体世界重要情报，完成了人类对地球三体力量“审判日”号的审判。

只有头发丝十分之一粗细的“飞刃”

所谓“纳米飞刃”，只是人类利用纳米技术制造出来韧性强度极高的一种细丝，这种细丝只有头发丝的十分之一粗细，肉眼看不见，但可以切割钢铁和各种硬物，也号称无坚不摧。但这种无坚不摧只是对付地球上的物质，在《三体》小说的描述中，对付的只是一艘人类制造“审判日”号邮轮。

从“飞刃”的研发者汪淼教授背后这张PPT我们可以看出，所谓的“飞刃”就是碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs），而这张图片来源于清华大学魏飞教授团队于2013年发表于《ACS Nano》杂志的一篇合成超长碳纳米管的论文（DOI: 10.1021/nn401995z）。

碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持约0.34 nm的固定距离，直径一般为2～20 nm。是一种一维量子材料，具有优异的力学、电学和化学性能。碳纳米管中碳原子形成的化学键同时具有sp2和sp3杂化，主要是sp2杂化，具有高模量和高强度。它的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6。它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。

碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸，是理想的高强度纤维材料，因此“纳米飞刃”在理论上是真实存在的。同时，碳纳米管也是制造“太空电梯”缆绳的最佳材料。

显微镜探究多壁碳纳米管真面目

上图为使用KYKY-EM8100型场发射枪扫描电子显微镜拍摄的不同放大倍数的多壁碳纳米管，扫描电子显微镜可以很好地观察碳纳米管的管径、长径比、团聚程度以及断裂缺陷等。

在实际应用中，虽然碳纳米管拥有超强的力学性能，但离产业化应用还有很长的一段路要走，除了剧中汪淼博士提到的无法量产的问题以外，还存在着切割过程中材料磨损老化与摩擦放热等问题，这些都会造成碳纳米管材料的老化，使其力学性能大打折扣，造成纤维断裂。

现阶段用碳纳米管是无法完成坚硬物体切割的，目前工业上有很多硬质材料都是用切割钢线或者更高质量的金刚线来切割。金刚线，顾名思义，跟金刚石有关，大体上是把金刚石的微粉颗粒以一定的分布密度均匀地镶嵌在母线（一般为高碳钢丝）上，做成的金刚石切割线。通过金刚石切割机，金刚线与被切割物体间进行高速磨削运动，从而实现切割目的。

金刚线的母线，一般为高碳钢丝，由拉丝厂家将盘条拉制为不同直径的黄丝，再将黄丝进一步拉为微米级的母线。金刚石微粉由人造金刚石颗粒破碎而成，颗粒度一般小于50μm，是金刚线起切割作用的关键材料，其质量及稳定性直接影响后续电镀工艺及成品金刚线质量。金刚石的分布密度、固结强度、切割能力、钢线的抗疲劳性等都直接影响金刚线的性能。

扫描电子显微镜拍摄的金刚线的纵向及横向截面，可以很好地观察金刚线的母线线径、金刚石微粉的大小及分布密度、镀层的厚度、镀层与母线的固结程度等。

制备完美碳纳米管条件严格

被誉为“二十世纪最神奇的纳米材料”之一的碳纳米管是碳材料大家族中的一员。

“碳纳米管就是管状的纳米级石墨晶体，分为单壁和多壁碳纳米管。”天津大学材料科学与工程学院纳米及复合材料研究所的沙军威副教授解释，碳原子以不同的排列方式形成各种材料，堆叠在一起就是石墨，剥离出来单层的二维材料就是石墨烯，而把石墨烯片层卷成管状就是碳纳米管。

“在《三体》中，‘纳米飞刃’削切硬物于无形体现了碳纳米管一个重要特性——轻质高强。”沙军威介绍，之所以这么细的碳纳米管能有如此高的强度，主要是碳纳米管由碳碳键组成的六元环结构完美连接，要想破坏掉碳纳米管，就必须让碳碳键发生断裂，这需要提供很高的能量才能实现。

正因如此，碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。碳纳米管的理论强度可以达到钢铁的100倍，同时碳纳米管的密度又非常低，只有钢的1/6。“因此从理论上讲，‘纳米飞刃’是可以实现的。”沙军威说，不过在现实中，要做出“纳米飞刃”却很难。

难度主要体现在哪些方面？以目前的工艺水平，很难制造出长程完美的原子排列结构。“纳米飞刃”直径只有一纳米，但是长度确有上百米，别说100米，就算是只有1米，和直径相比，两者之间也相差了9个数量级。相当于一根1毫米粗的绳子要100万米长。而且要保证绳子不断，这就要求这100万米没有一个缺陷。

“目前在实验室制备碳纳米管使用的是化学气相沉积法。如果要获得完美的碳纳米管，需要有非常稳定的气流，不能有一点扰动，这也是非常难的。”沙军威表示，碳纳米管在生长过程中，如果气体流量或气流方向出现些许变化，或者实验设备内的温度稍有扰动，都可能引入缺陷，甚至导致其停止生长。目前的报道中世界上最长的碳纳米管是由清华大学魏飞教授带领的团队制备出的，其单根长度可以达到半米以上。

未来应用围绕三大性能展开

碳纳米管目前产业化应用最多的是作为锂离子电池的正极导电添加剂。碳纳米管和石墨烯导电添加剂相较于传统导电剂具有导电性能好、用量小的特点。

目前碳纳米管在这个行业的渗透率，也已经超过了20%。有业内人士统计，超过90%的中高端数码锂电池厂家已将碳纳米管作为导电添加剂用于电池生产，比如比亚迪、比克电池等。据专业机构预测，3年后碳纳米管导电添加剂需求量将达到60万吨，市场规模超过35亿元，复合增长率超过40%。

“除了用于导电添加剂，未来碳纳米管会在很多领域大有作为，不过其主要应用离不开它最重要的三大性能。”沙军威介绍，首先就是轻质高强。像沙军威所在团队研发的碳纳米管增强铝基复合材料就可以应用在火箭等航天器上。“对于制造航天器的材料来说，最重要的就是轻质高强。铝比目前应用于航天器制造的钢和钛质量轻很多，但是硬度和强度不够，加入了碳纳米管，就可以实现轻质高强，发射成本会大幅下降。”沙军威表示。

由于碳纳米管具有良好的导电、导热性能，因此还可以把它添加到塑料、纺织材料中，美国莱斯大学研究人员就使用交织的碳纳米管纤维制作了一件可以作为心率监测器的衬衣。

此外，由于碳纳米管具有表面缺陷增强的反应活性，使得其在催化领域的应用也方兴未艾。“比如用碳纳米管作为催化剂电解水制氢，把二氧化碳转化为甲醇等有机物，都是目前研究的热门。”沙军威介绍。

文章来源： 姜7501，北青网，中科科仪