几十年前，《科学美国人》杂志曾提出一个诱人的梦想：在地球和月亮之间搭建一座太空天梯，可以使人类沿着天梯直接从地球通往太空。近日，清华大学化工系教授魏飞带领的化工系与微纳米力学中心（CNMM）联合研究团队，成功制备出世界上最长的、单根长度达半米以上的碳纳米管，坐着“电梯”去月球这样的科幻场景，将有可能成为现实。

 

碳纳米管重量轻、六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。其中力学性能非常突出，例如，碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远远超过其他任何材料，因此被认为是制造“太空天梯”的理想材料的不二之选。

 

显然，实现上述梦想的前提是批量制备出具有宏观长度、并且具有理论力学性质的碳纳米管，单根长度达到米级甚至千米级以上。

 

自1991年被发现以来，全世界的研究者为了提高其长度，进行了大量艰辛的探索。一直到2009年，碳纳米管的最大长度只有18.5厘米。清华机械系、物理系、化工系先后制成了20 cm级别长度的碳纳米管束（碳管不连续）或单根碳纳米管，始终处于世界领先水平。然而，自从2010年清华化工系制备出20 cm长的单根碳纳米管以来，增加其长度就越发困难，国际上再也没有新的突破。

 

魏飞带领的研究团队在超长碳纳米管的制备方面开展了深入的研究工作。魏飞意识到，需要重新审视制备方法论，他们发现超长碳纳米管在本质上可以当作一种一维线性高分子，其生长状况可以用高分子领域的舒尔－弗洛里（Schulz-Flory）分布机理来描述。该团队首次研究发现，在这种机理描述下，碳纳米管的催化剂活性概率起到了最关键的作用。对于碳纳米管的生长而言，其高温生长过程中催化剂的失活是一个不可逆的规律，从而限制了碳纳米管的长度。因此，尽可能地提高其催化剂活性概率是进一步增加碳纳米管的长度的唯一途径。该团队充分发挥材料制备和化工技术学科交叉的优势，在制造设备、制备工艺方面进行了大量改进和创新，首次将生长每毫米长度碳纳米管的催化剂活性概率提高到99.5%以上，终于成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管，创造了新的世界纪录。

 

值得一提的是，这类超长碳纳米管拥有长度、生长速度快与结构超完美的多种诱人特性，从而具有意想不到的机械性能。魏飞指出：“我们所制备的碳纳米管具有完美的结构、优异的力学性能和宏观的长度，目前我们正在从事一米以上碳纳米管的制备，下一步我们希望能够制备出千米级以上长度，并具有宏观密度的碳纳米管。”

 

中国科学家成功制备出世界最长碳纳米管，将为太空天梯的制备开启一线曙光。除此之外，碳纳米管优异的力学性能使其在超强纤维、防弹衣等领域也有着广阔的应用前景。