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第30集 神奇的碳材料

第30集 神奇的碳材料 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-07   浏览数:
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  在人类发展的历程中,每一种新材料的发展和应用,都把人类支配自然的能力提升到一个新的高度,追溯历史的长河,无论对于哪个时期,哪个国家,只要拥有了先进的材料基础,就会引领世界的科学发展。 

  不管是何种材料,都有它存在的重大意义,碳材料就是其中的一种。在很久以前,碳材料可能只是作为取暖、烹饪等应用出现在我们的日常生活中,但随着新材料的迅速发展,碳材料已经不再满足于传统应用,而是走进科研世界,展现自身的神奇之处。 

  在科研工作者的眼中,碳材料具有多元化的特点,可以延伸出各种意义重大的研究方向。比如,人们正在研究的碳纤维材料,这种坚如磐石又韧如发丝的碳材料,因为轻巧、抗腐蚀性强、刚性好等特点,不仅被应用在制造体育用品、石油探测以及风力发电等领域,还在航空航天和国防军事装备领域得到广泛应用,成为军事大国的必争之材。 

  对于碳纤维的研究,东华大学材料学教授余木火告诉我们:碳纤维这种材料实际上从70年代开始,就已经在航空航天,特别是在武器装备上,战斗机上大量应用了。 

  中国碳纤维起步比较晚,全球碳纤维市场长期被国外一些企业占据,并一直对中国实行严密的技术封锁,中国想要发展碳纤维,就必须走自主创新的道路。幸运的是,改革开放以来,在国家政策的大力推动下,中国碳纤维取得了重大突破,彻底打破了国外的禁运,催生碳纤维及其制品进入工业化大市场。 

  其实,除了碳纤维外,有着“新材料之王”称号的石墨烯也只用了短短十几年的时间,就从首次成功分离,发展到了被业内疯狂追捧的高新材料。石墨烯是目前已发现的最轻、最薄、导电性和导热性最好的物质,厚度仅相当于人类头发丝的十万分之一,强度却可以达到钢铁的200倍。对此,中国科学院刘忠范院士说到:实际上,石墨烯就是单层的石墨片,简单的说,石墨烯是一种纯碳材料,一般情况下,大家认为十层以内的大致都可以叫石墨烯。 

  我给石墨烯设计了三种未来,第一个未来相当于碳纤维,航空航天做大飞机;另外一个可能的未来有点像塑料;还有更高端的,像硅芯片像硅材料那样子,像硅这种材料可以作为一个时代的代名词,硅改变了我们的精神生活,将来硅有可能被石墨烯代替。 

  对于石墨烯未来在移动设备、航空航天、新能源电池等领域所拥有的广阔前景,人们都非常期待,但石墨烯想要进行大规模使用,还需要我们人类进一步探索研发。 

  事实上,在碳材料领域还有一种非常奇特的新型材料——碳纳米管。它的强度比石墨烯还要高,可以达到钢材的300倍,热导率为铜的5倍。这也就意味着,如果科研工作者把碳纳米管加入到聚合物、陶瓷或金属基体中,就会显著提高金属材料的物理性质。对于碳纳米管良好的导电性,清华大学化学工程系魏飞教授说:电子在轴向方向上传递是电子没有质量的,输运的速度是光速的300分之一,导电性会很好,强度实际上和金刚石差不多,大家就意识到了这些东西很可能会做下一代的超强材料,或者现在更热闹的是做下一代的半导体材料。 

  中国的碳纳米管、石墨烯或富勒烯,还是要有一帮比较扎实的人想办法把核心的用途和未来的前景展示出来,投资也好,搞企业的人也好,要明白这个东西是未来。 

  从魏飞教授的讲解中,我们知道碳材料是未来材料发展的核心。这不仅体现在工业生产上,还在人类的医疗领域具有重要的应用价值。 

  众所周知,癌症已经成为21世纪严重威胁人类健康和生命的一大“杀手”,在世界医学领域,也一直是难以攻克的难题。不过,一项中国独有的基于金属富勒烯纳米颗粒的“分子手术刀”肿瘤治疗技术,却有望在这一领域实现突破,给人们的生命健康带来希望。 

  近15年来,中国科学院化学研究所纳米实验室王春儒团队,不断地结合肿瘤结构方面的专业知识,最终提出了利用金属富勒烯治疗癌症的大胆设想:对于金属富勒烯来说,它有两个非常重要的特性,第一个它是生物友好的,第二个就是金属富勒烯在常温一直到几十度之间,它有一个相变,利用这种性质,我们局可以来设计一个抗肿瘤的药物,把水溶性的纳米药物注入小鼠体内,金属富勒烯纳米颗粒会尝试从肿瘤血管缺陷处挤出来,紧紧的被血管的内皮细胞给卡住,伴随着相变,会有体积一个剧烈膨胀,相当于制造了一个纳米级的小爆炸,肿瘤血管造成一个很大的损伤,截断营养,整个肿瘤组织会飞快的就融掉了。如果这种方式把它给真正应用到临床实验,那么肿瘤就应该不再是一个困扰人类的恶疾了。 

  在王春儒看来,金属富勒烯对肿瘤、糖尿病等很多人体疾病都有很好的治疗效果。所以,他认为未来必定会在生物医学领域大放异彩。 

  这样一来,如果关于富勒烯方面的研究获得成功,那将会解决世界医疗史上的很多难题。但想要实现规模化制备富勒烯,还很难办到,其中有一个很重要的原因就是价格昂贵。 

  2015年12月,英国牛津一家公司以每克10.8亿元的价格卖出内嵌富勒烯,它和我们提到的金属富勒烯有所不同,这种价格高昂的内嵌富勒烯材料是内嵌一个氮原子的C60材料,并一跃成为全世界第二贵的材料,仅次于反物质,在当时瞬间引起了学术界和材料界的强烈关注。 

  除了价格昂贵之外,还有一个原因主要是富勒烯的制备成本太高,制备技术也并不完善。但这并不能阻挡科学家们探索的脚步,随着科研水平的不断提高,人们逐渐发展出了多种富勒烯的制备方法,目前较为成熟的主要有电弧法、燃烧法等方法。 

  我国研究团队还对电弧法生产金属富勒烯的技术原理进行分析,创新提出磁控多弧的技术路线,实现金属富勒烯工业化生产。并建成了我国首条吨级富勒烯生产线,填补了国内外的空白,解决了大规模、低成本、高效工业化生产富勒烯的量产难题。 

  今天,碳纤维、石墨烯、碳纳米管、富勒烯等碳材料已经为材料界和制造业提供了丰富的资源材料。我国科学研究者也凭借自己的勇气和智慧,攻克了碳材料开发应用的一道又一道难关,国产碳材料的品质和产量已经站在了世界的前列。 


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