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

我們搞的碳納米管是個啥？

作為組里的中高年級博士生，我經常被問到一個問題：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。我往往會先反問一個看似毫不相關的問題：

你看過《三體》么？

《三體》是從一名納米材料科學家汪淼的視角展開的。我經常半開玩笑地說，汪淼的原型就是我導師魏飛老師，因為小說中汪淼的超強線性材料“飛刃”，原型應當就是碳納米管。

三體中“飛刃”被用來執行代號“古箏行動”的秘密軍事行動，這種極細的絲狀納米材料將叛軍船只“審判日”號切割成了條狀。圖片來源：COLTZ 繪。

碳納米管最引人矚目的一點就是具有超高機械強度和很小的密度。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的距離而不被自身重量拉斷的材料。

而從實驗室到實用的過程中，將碳納米管組裝成管束或者纖維就是非常重要的一環。

碳納米管的理論斷裂強度超過100 GPa（作為對比，目前能實現工業化量產的典型碳纖維——T800型碳纖維的斷裂強度為5 GPa左右），如果碳納米管管束或者纖維能發揮出理論強度的八成功力，比如達到80 GPa，就足以超越現有的碳纖維10倍還多了。

但是目前，只要將碳納米管做成管束或者纖維，其機械性能就會急劇下降，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領域的實用化進程。

超長碳納米管管束示意圖，每根超長碳納米管的直徑大約在2納米左右，頭發絲的萬分之一粗。圖片來源：參考文獻1

實驗一天只能做兩次

啥時候是個頭哇

與碳納米管打交道是我們課題組的專長。在這之前，我們組就合成了世界最長碳納米管[2]。還觀測到多層碳納米管內層抽出來的過程中，內外層之間沒有摩擦——這被稱為超潤滑現象[3]。此外，我們還在世界上首次實現了碳納米管的年產千噸級制備，用化學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。

但是，不同于已經年產千噸級的聚團狀或者垂直陣列狀碳納米管，超長碳納米管的制備條件極為苛刻。超長碳納米管的生長過程受到非常多種因素的影響，包括原料氣純度及配比、反應溫度、反應壓力、停留時間、水蒸氣含量、氣流均勻性、催化劑設計、反應基底等等。另外，超長碳納米管的產率也極低。因此它的可控制備方法一直被公認為是碳納米管研究領域中的重大難題，對于沒有相關背景的師弟而言更是一項不小的挑戰。

剛開始的一段時間里，白云祥怎么樣都摸不透碳納米管的生長條件，那么多影響因素，很多時候甚至都不知道是一個出了問題還是哪幾個同時出了問題。由于反應爐要加熱到1000℃以上，反應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驗。如此一來實驗成功看上去簡直遙遙無期，這令他有了很強的挫敗感。

好在功夫不負有心人，經歷兩個多月的努力，在課題組師兄師姐的幫助下，白云祥終于總結出了調節超長碳納米管生長條件的規律。但是這只是最基本的生長超長碳納米管水平陣列的制備，這之后才是最關鍵的問題：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？

除夕夜還在做實驗

終于能本科畢業了？

他設想了很多種方案，最終決定采用一種叫做原位氣流聚焦的方式進行實驗。可是實際實施起來遠比他想象的要困難得多，在剛開始嘗試合成管束的幾個月時間里面，他不是發現超長碳納米管長不出來，就是發現即使長出來了也無法按照自己的設想合并成為管束。

眼看就要離新年除夕只有幾天了，大家幾乎都已經回家過年，他的畢業設計的第一步管束制備實驗卻還是一直處于失敗狀態幾乎毫無進展。這時候他甚至有點擔心自己能否順利畢業拿到學士學位了。

移動恒溫區法生長碳納米管的實驗裝置，發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鍵性規律條件。那一刻，他激動萬分。緊接著，他興奮地去測量了制備出的管束的力學性能，卻發現力學性能隨著管束根數的增加呈現下降的趨勢，這和想象中的結果完全不一樣。

拉面！秘密就是，拉面！

郁悶的白云祥把這個結果告訴了導師魏飛，而魏老師則從失敗的數據中敏銳地發現，這個結果源于管束中的每根碳納米管無法同時均勻受力。

這種情況常見于平行鋼絲拉索。

圖為中國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。正版素材來源：圖蟲創意

提了升拉索整體的力學性能，在平行鋼絲拉索投入使用之前，需要通過調節保證每根鋼絲受到的力相同，否則就會出現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，它原本承擔的力就會轉嫁到其他鋼絲身上，從而惡化平行鋼絲拉索整體的力學性能。這在結構力學中被稱為Daniels效應。

魏老師認為這種Daniels效應同樣存在于碳納米管管束中，并且可以通過類似的方法調整來提升管束的力學性能。于是，師弟決定采用類似的辦法來處理碳納米管束，用類似拉面的手段對其進行“同步張弛”調整處理[1]。

碳納米管束處理的示意圖，先剪開，然后使用類似“拉面”的手段來回拉扯進行調整。圖片來源：參考文獻1

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

在這個過程中，白云祥師弟也順利本科畢業，正式成為我們組的博士研究生。

之后又經過兩年的撰寫、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》（Nature Nanotechnology）上發表。

參考文獻

[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.

通篇看下來只認識“拉面”兩個字的，我勸你還是投投別的雜志，知音也很不錯呀。

原標題:大四學生如何在《自然》子刊上發文章？答案是多吃拉面