白云祥是我的師弟，3年前跨專業(yè)加入了我們的課題組，準(zhǔn)備成為一名化工專業(yè)的博士生。在過去的三年中，我見證了他從對(duì)課題一頭霧水，一步步走到成功發(fā)表論文。

我們搞的碳納米管是個(gè)啥？

作為組里的中高年級(jí)博士生，我經(jīng)常被問到一個(gè)問題：什么是碳納米管？

雖然我自己不做這方面的研究，但被問得多了，我也積累出了回答的套路。我往往會(huì)先反問一個(gè)看似毫不相關(guān)的問題：

你看過《三體》么？

《三體》是從一名納米材料科學(xué)家汪淼的視角展開的。我經(jīng)常半開玩笑地說(shuō)，汪淼的原型就是我導(dǎo)師魏飛老師，因?yàn)樾≌f(shuō)中汪淼的超強(qiáng)線性材料“飛刃”，原型應(yīng)當(dāng)就是碳納米管。

三體中“飛刃”被用來(lái)執(zhí)行代號(hào)“古箏行動(dòng)”的秘密軍事行動(dòng)，這種極細(xì)的絲狀納米材料將叛軍船只“審判日”號(hào)切割成了條狀。圖片來(lái)源：COLTZ 繪。

碳納米管最引人矚目的一點(diǎn)就是具有超高機(jī)械強(qiáng)度和很小的密度。如果人類想要建立前往太空的電梯，碳納米管是唯一一種能夠跨越如此長(zhǎng)的距離而不被自身重量拉斷的材料。

而從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)用的過程中，將碳納米管組裝成管束或者纖維就是非常重要的一環(huán)。

碳納米管的理論斷裂強(qiáng)度超過100 GPa（作為對(duì)比，目前能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)的典型碳纖維——T800型碳纖維的斷裂強(qiáng)度為5 GPa左右），如果碳納米管管束或者纖維能發(fā)揮出理論強(qiáng)度的八成功力，比如達(dá)到80 GPa，就足以超越現(xiàn)有的碳纖維10倍還多了。

但是目前，只要將碳納米管做成管束或者纖維，其機(jī)械性能就會(huì)急劇下降，完全不能與單根碳管相比，原因可能源于管束或纖維的缺陷、取向、不連續(xù)性等各種各樣的奇怪問題。這些問題一直阻礙著碳納米管在力學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。

超長(zhǎng)碳納米管管束示意圖，每根超長(zhǎng)碳納米管的直徑大約在2納米左右，頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一粗。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

實(shí)驗(yàn)一天只能做兩次

啥時(shí)候是個(gè)頭哇

與碳納米管打交道是我們課題組的專長(zhǎng)。在這之前，我們組就合成了世界最長(zhǎng)碳納米管[2]。還觀測(cè)到多層碳納米管內(nèi)層抽出來(lái)的過程中，內(nèi)外層之間沒有摩擦——這被稱為超潤(rùn)滑現(xiàn)象[3]。此外，我們還在世界上首次實(shí)現(xiàn)了碳納米管的年產(chǎn)千噸級(jí)制備，用化學(xué)工程的思想把碳納米管從比黃金還貴的玩意成功搞成了白菜價(jià)。

但是，不同于已經(jīng)年產(chǎn)千噸級(jí)的聚團(tuán)狀或者垂直陣列狀碳納米管，超長(zhǎng)碳納米管的制備條件極為苛刻。超長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)過程受到非常多種因素的影響，包括原料氣純度及配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、停留時(shí)間、水蒸氣含量、氣流均勻性、催化劑設(shè)計(jì)、反應(yīng)基底等等。另外，超長(zhǎng)碳納米管的產(chǎn)率也極低。因此它的可控制備方法一直被公認(rèn)為是碳納米管研究領(lǐng)域中的重大難題，對(duì)于沒有相關(guān)背景的師弟而言更是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。

剛開始的一段時(shí)間里，白云祥怎么樣都摸不透碳納米管的生長(zhǎng)條件，那么多影響因素，很多時(shí)候甚至都不知道是一個(gè)出了問題還是哪幾個(gè)同時(shí)出了問題。由于反應(yīng)爐要加熱到1000℃以上，反應(yīng)之后降溫的過程很慢，所以每天滿打滿算只能做兩次條件實(shí)驗(yàn)。如此一來(lái)實(shí)驗(yàn)成功看上去簡(jiǎn)直遙遙無(wú)期，這令他有了很強(qiáng)的挫敗感。

好在功夫不負(fù)有心人，經(jīng)歷兩個(gè)多月的努力，在課題組師兄師姐的幫助下，白云祥終于總結(jié)出了調(diào)節(jié)超長(zhǎng)碳納米管生長(zhǎng)條件的規(guī)律。但是這只是最基本的生長(zhǎng)超長(zhǎng)碳納米管水平陣列的制備，這之后才是最關(guān)鍵的問題：怎么樣才能在看不見摸不著的情況下將它們從一根根的平行排列的形貌給并到一起形成管束呢？

除夕夜還在做實(shí)驗(yàn)

終于能本科畢業(yè)了？

他設(shè)想了很多種方案，最終決定采用一種叫做原位氣流聚焦的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。可是實(shí)際實(shí)施起來(lái)遠(yuǎn)比他想象的要困難得多，在剛開始嘗試合成管束的幾個(gè)月時(shí)間里面，他不是發(fā)現(xiàn)超長(zhǎng)碳納米管長(zhǎng)不出來(lái)，就是發(fā)現(xiàn)即使長(zhǎng)出來(lái)了也無(wú)法按照自己的設(shè)想合并成為管束。

眼看就要離新年除夕只有幾天了，大家?guī)缀醵家呀?jīng)回家過年，他的畢業(yè)設(shè)計(jì)的第一步管束制備實(shí)驗(yàn)卻還是一直處于失敗狀態(tài)幾乎毫無(wú)進(jìn)展。這時(shí)候他甚至有點(diǎn)擔(dān)心自己能否順利畢業(yè)拿到學(xué)士學(xué)位了。

移動(dòng)恒溫區(qū)法生長(zhǎng)碳納米管的實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)明者張如范為本文通訊作者之一

就在大年二十九那一天，白云祥終于找到了控制碳納米管管束合成的關(guān)鍵性規(guī)律條件。那一刻，他激動(dòng)萬(wàn)分。緊接著，他興奮地去測(cè)量了制備出的管束的力學(xué)性能，卻發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能隨著管束根數(shù)的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這和想象中的結(jié)果完全不一樣。

拉面！秘密就是，拉面！

郁悶的白云祥把這個(gè)結(jié)果告訴了導(dǎo)師魏飛，而魏老師則從失敗的數(shù)據(jù)中敏銳地發(fā)現(xiàn)，這個(gè)結(jié)果源于管束中的每根碳納米管無(wú)法同時(shí)均勻受力。

這種情況常見于平行鋼絲拉索。

圖為中國(guó)星海灣跨海大橋懸索主纜，畫圈的地方就是平行鋼絲拉索了。正版素材來(lái)源：圖蟲創(chuàng)意

提了升拉索整體的力學(xué)性能，在平行鋼絲拉索投入使用之前，需要通過調(diào)節(jié)保證每根鋼絲受到的力相同，否則就會(huì)出現(xiàn)有的鋼絲受力比其他鋼絲大的情況；而一旦受力較大的鋼絲斷裂，它原本承擔(dān)的力就會(huì)轉(zhuǎn)嫁到其他鋼絲身上，從而惡化平行鋼絲拉索整體的力學(xué)性能。這在結(jié)構(gòu)力學(xué)中被稱為Daniels效應(yīng)。

魏老師認(rèn)為這種Daniels效應(yīng)同樣存在于碳納米管管束中，并且可以通過類似的方法調(diào)整來(lái)提升管束的力學(xué)性能。于是，師弟決定采用類似的辦法來(lái)處理碳納米管束，用類似拉面的手段對(duì)其進(jìn)行“同步張弛”調(diào)整處理[1]。

碳納米管束處理的示意圖，先剪開，然后使用類似“拉面”的手段來(lái)回拉扯進(jìn)行調(diào)整。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1

果然，經(jīng)過處理之后，碳納米管管束的力學(xué)性能有了大幅度的提升，并最終成功論證了制備出的超長(zhǎng)碳納米管管束的拉伸強(qiáng)度已經(jīng)超過了任何已知的工程纖維材料。

在這個(gè)過程中，白云祥師弟也順利本科畢業(yè)，正式成為我們組的博士研究生。

之后又經(jīng)過兩年的撰寫、修改、投稿、再修改的過程，今年5月，白云祥的論文終于在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上發(fā)表。

參考文獻(xiàn)

[1].Bai, Y.; Zhang, R.; Ye, X.;Zhu, Z.; Xie, H.; Shen, B.; Cai, D.; Liu, B.; Zhang, C.; Jia, Z.; Zhang, S.;Li, X.; Wei, F. Nature Nanotechnology 2018.

[2].Zhang, R.; Zhang, Y.; Zhang,Q.; Xie, H.; Qian, W.; Wei, F. ACS Nano 2013, 7,6156-6161.  

[3].Zhang, R.; Ning, Z.; Zhang, Y.; Zheng, Q.;Chen, Q.; Xie, H.; Zhang, Q.; Qian, W.; Wei, F. Nature Nanotechnology 2013,8, 912-916.

通篇看下來(lái)只認(rèn)識(shí)“拉面”兩個(gè)字的，我勸你還是投投別的雜志，知音也很不錯(cuò)呀。

原標(biāo)題:大四學(xué)生如何在《自然》子刊上發(fā)文章？答案是多吃拉面