近日，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队受邀在美国化学会旗下的《材料研究评述》（Accounts of Material Research）期刊上发表综述论文《无缺陷碳纳米管/管束的力学行为》（Mechanical Behavior of Single and Bundled Defect-free Carbon Nanotubes）。论文通讯作者为魏飞教授和张如范副教授，第一作者为清华化工系2021届博士毕业生白云祥（现为国家纳米科学中心A类特别研究助理）和2020级硕士生岳鸿杰。该综述合作者还包括清华化工系骞伟中教授和国家纳米科学中心张忠研究员。

超强材料可应用于防弹衣、机身、舰载阻拦索、飞轮储能等诸多领域。碳纳米管是目前人类发现的最强的材料之一，在制备超强纤维方面有着巨大的潜力。然而，缺陷对碳纳米管的抗拉强度有着很大的影响，目前制备的碳纳米管纤维的强度远低于单根碳纳米管的强度，表现出“尺寸效应”。无缺陷超长碳纳米管有望帮助我们避免纳米材料的“尺寸效应”，制备出超强碳纳米管纤维。传统的固体力学研究通常基于材料含有缺陷的假设，而无缺陷的超长碳纳米管将为研究具有非定域“量子应力奇点”的理想固体的力学行为提供一个理想的体系。

图1 超长碳纳米管/管束及其应用概览

文章首先介绍了作为超长碳纳米管的无缺陷结构，它也是一种理想固体。其次，综述了单根厘米级长度的无缺陷碳纳米管的静态拉伸性能、动态疲劳性能及其与温度的关系。然后，介绍了通过利用气流聚焦原位合成方法和同步张弛强化策略，成功制备了拉伸强度接近单根碳纳米管的碳纳米管管束。此外，还讨论了碳纳米管用于飞轮储能的优势和应用前景。最后，文章对该领域的面临的挑战与下一步研究方向进行了总结与展望。

图2 无缺陷超长碳纳米管/管束的力学行为

Accounts of Materials Research创刊于2020年10月（月刊），主要发表简明扼要的评论性综述文章以及前瞻性观点，文章聚焦于作者自己的研究，旨在向读者介绍系统的研究工作。Accounts of Materials Research和美国化学会现有的综述期刊Accounts of Chemical Research和Chemical Reviews一起组成新的高影响力综述期刊平台。

过去二十年间，魏飞教授和张如范副教授团队在超长碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征和应用探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，并具有完美结构和优异性能，并可实现99.9999%半导体性高纯度。此外，团队首次发现了宏观长度碳纳米管管层间的超润滑现象，并实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵，制备出了强度高达80 GPa的碳纳米管管束，发现了单根碳纳米管的超耐疲劳性质。以上成果相继发表在《科学》（Science）、《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)、《自然·通讯》（Nature Communications）、《化学会评论》（Chemical Society Reviews）、《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）、《先进功能材料》（Advanced Materials）、《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）、《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00120

清华大学化工系