中國粉體網訊 近期正在熱映的《流浪地球2》為觀眾提供了一場中國式科幻美學盛宴。電影開篇就展現了一場驚心動魄的太空電梯遇襲戰，描繪出未來太空電梯的模樣。其實，從概念提出至今，太空電梯一直都是硬科幻作品中常見的話題。全世界的科學家正在太空電梯的相關領域進行探索。纜繩作為太空電梯的關鍵技術和設備，涉及的碳納米管等材料學技術也在飛速發展中，讓太空電梯有望從夢想變成現實。
太空電梯設想由來已久
1895年，被譽為“航天之父”的俄國科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在參觀巴黎的埃菲爾鐵塔后，提出了一個構想，即在地面上建設一座超高的鐵塔，一直建到地球同步軌道為止，在鐵塔內架設電梯，人類便可以搭著電梯進入外太空。這就是太空電梯構想的雛形。如果太空電梯實現，相對于火箭運輸的方式，人類進入外太空將更加容易，成本更低。
不過，如果按照齊奧爾科夫斯基的構想建設鐵塔，太空電梯的設想是無法實現的。這是由于鋼鐵材料的抗壓能力不足，修到一定高度時，鐵塔會被自身的重量壓垮。齊奧爾科夫斯基的構想就此擱置。
20世紀中期以后，太空電梯的構想更進一步。人們設想，太空電梯的主體是一個永久性連接太空站和地球表面的纜繩，將人和貨物從地面運送到太空站。從材料學上看，如果整套太空電梯系統的重心在地球同步軌道或高于地球同步軌道，系統會實現重力加速度和離心力加速度的平衡，對材料的要求從抗壓轉變為抗拉，這樣，材料選擇也就容易一些了。甚至在2012年2月，日本大林建設公司宣布以100億美元建設太空電梯，預計2050年落成。
核心問題是纜繩材料
不過，即使太空電梯的構想已經成型，選擇材料還是一件困難的工作。
1991年，日本科學家飯島澄男發現并命名了碳納米管，給陷入瓶頸的太空電梯設想帶來了新的希望，許多研究團隊都重新拾起了太空電梯計劃。
碳納米管是由碳原子組成的管狀結構納米材料，是目前已知的理論上力學強度最高和韌性最好的材料。如果用碳納米管做太空電梯的纜繩，碳納米管的抗拉強度至少要達到90GPa。而實際上，我們在實驗中合成的碳納米管的抗拉強度可以達到200GPa。而從理論計算角度上，對于具有理想結構的單壁碳納米管而言，其抗拉強度可以達到800GPa。
然而，當時由于制備工藝的限制，實際能夠制備出的碳納米管長度只有幾毫米，且存在大量結構缺陷。2013年，清華大學魏飛教授團隊將催化劑活性提高到99.5%以上后，成功制備出單根長度超過半米且具有完美結構的碳納米管。目前，他們正在研制長度在千米級以上的碳納米管。可以說，從材料學角度上，太空電梯已經具有了初步實現的可能。
當然，在現有科學技術水平下，即使碳納米管技術正在飛速發展，太空電梯距離實際應用也還很遙遠。在地球上，我們需要考慮材料的耐候問題和磨損問題，尤其是高層大氣的磨損問題;在太空，我們又要考慮人造衛星軌道、宇宙輻射，甚至月球和附近其他行星引力、科里奧利力、小行星撞擊等問題。這些研究至今都是空白。可以說，太空電梯仍然是人類探索宇宙的一個美好愿景。
碳納米管未來用處多
盡管太空電梯在近幾十年里完成的可能性不大，但碳納米管作為一種性能優異的潛在材料，受到科學家們廣泛的重視和研究。
碳納米管在諸多領域都有優異的性能。若以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料，將給復合材料的性能帶來極大的改善。此外，碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳納米管因而被稱“超級纖維”。
電學性能方面，由于結構與石墨的片層結構相同，碳納米管具有很好的電學性能。理論預測中，當碳納米管管徑小于6納米時，碳納米管可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。在特定方向上，碳納米管的電導率通常可達銅的1萬倍。
熱學性能方面，碳納米管在特定方向具有良好的傳熱性能，可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外，碳納米管有著較高的熱導率，在復合材料中摻雜微量的碳納米管，就能大幅提高復合材料的熱導率。
目前，碳納米管已應用于制作滑雪板、冰球桿、沖浪板等體育器材，采用碳納米管的高性能膠帶也已經上市。一些初創企業和實驗室已經利用碳納米管進行了微細加工嘗試，用于外科醫學領域。波音公司也已申請使用碳納米管對飛機結構中使用的復合材料進行結構健康監測。碳納米管的其他潛在應用包括儲能、超級電容器、場發射晶體管、高性能催化和生物醫學設備等。
（中國粉體網編輯整理/平安）
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