碳纳米管突破14GPa强度！太空电梯梦想照进现实
碳纳米管突破14GPa强度！太空电梯梦想照进现实
2024年7月，北京大学张锦院士团队在《Science》期刊发表最新研究成果，通过创新的制备工艺，成功将碳纳米管纤维的动态强度提升至14 GPa（吉帕斯卡），这一突破性进展为碳纳米管在极端环境下的应用开辟了新的可能。
碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯片卷曲形成的中空圆柱状纳米材料，具有优异的机械强度、高导电性和导热性。然而，长期以来，碳纳米管纤维的性能一直无法充分发挥，主要受限于纺丝过程中形成的界面相互作用差、纳米管排列低和高孔隙率等问题。
为了解决这些问题，张锦院士团队提出了一种新的策略，通过逐步拉伸、注入PBO纳米纤维和分子链，以及机械滚压的方法，来改进碳纳米管纤维的界面相互作用、纳米管排列和致密化。实验结果显示，致密化PBO-CNTFs（D-PBO-CNTFs）表现出高准静态抗拉强度8.2 ± 0.2 GPa和韧性170.3± 17.9 MJ m–3，相较于功能化碳纳米管纤维（F-CNTFs），其抗拉强度增加了355%，韧性增加了106%。在高应变率环境下，D-PBO-CNTFs表现出14.0 ± 0.7 GPa的动态强度和462.6± 102.1 MJ m–3的韧性，远高于目前商业纤维的性能。
这一突破不仅展示了碳纳米管在高应变率应用中的巨大潜力，也为太空电梯这一科幻构想的实现带来了新的希望。
太空电梯：从科幻到现实
太空电梯是一种革命性的航天运输系统，其核心是在地球表面和太空站之间架设一条超长的缆绳，通过电动升降机实现人员和物资的往返运输。这一构想最早可以追溯到19世纪末，但直到20世纪末，随着碳纳米管的发现，这一构想才开始具备了实现的可能。
太空电梯对材料的要求极为苛刻。缆绳必须具备极高的强度和韧性，能够承受自身的重量以及地球引力和离心力的双重作用。同时，材料还需要具备良好的耐候性和抗辐射性能，能够在太空环境中长期稳定工作。
碳纳米管的出现为太空电梯的实现提供了新的可能。这种材料的理论强度高达100 GPa，远超过现有任何工程材料。同时，碳纳米管还具有良好的柔韧性和导电性，能够满足太空电梯对材料的多重需求。
日本大林公司的太空电梯计划
日本大林公司是全球最早投身太空电梯研发的建筑企业之一。该公司计划使用碳纳米管建造一条长达96,000公里的缆绳，将地球表面与太空站紧密相连。
根据大林公司的设计方案，太空电梯的建造将分为多个阶段进行。首先，通过火箭将缆绳、空间站和电梯机构所需的材料送入低轨道。随后，航天器将向地球降低碳纳米管缆绳，在达到96,000公里的长度后形成必要的张力。最后，材料和工程师将通过特殊的升降装置沿缆绳运输，完成后续的组装工作。
大林公司预计，太空电梯的建设将于2025年开始运营。每个舱室将可搭载30名乘客，以200公里/小时的速度运行，大约需要一周时间才能到达空间站。与传统的火箭发射相比，太空电梯的运营成本将大幅降低，预计每次运输成本只需几千美元，这将使得太空旅行变得更加经济实惠。
面临的挑战与未来展望
尽管碳纳米管的最新突破为太空电梯的实现带来了新的希望，但这一构想的实现仍面临诸多挑战。例如，如何确保缆绳在极端条件下的长期稳定性？如何解决太空碎片对缆绳的潜在威胁？如何实现高效的能量传输？这些问题都需要进一步的研究和探索。
然而，随着碳纳米管技术的不断发展，以及全球范围内对太空探索的持续投入，太空电梯这一科幻构想终将有望成为现实。这不仅将彻底改变人类进入太空的方式，更为未来的太空旅游和科学研究开辟了新的可能。
正如大林公司所展示的，人类从未停止对未知的探索，而碳纳米管的突破性进展，让我们离实现太空电梯的梦想又近了一步。未来，我们或许真的能够通过这条“通往太空的天梯”，开启人类探索宇宙的新篇章。