背景介紹

高強度和輕量化材料一直是廣泛研究領(lǐng)域中備受追捧的結(jié)構(gòu)材料。單壁碳納米管理論上具有100-200 GPa范圍內(nèi)的極限固有拉伸強度，是現(xiàn)有材料中最高的。然而，先前的實驗研究表明，實際碳納米管的強度重量比通常比無缺陷單壁碳納米管的理想值低幾倍，這是由于實際碳納米管中不可避免地存在結(jié)構(gòu)缺陷，并且表現(xiàn)出相當程度的分散性。由于缺乏系統(tǒng)的實驗研究，使得真正的單壁碳納米管的斷裂機理一直模糊不清，因此阻礙了制造具有理想強度重量比的宏觀結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展。

成果簡介

近日，來自日本名古屋大學(xué)、京都大學(xué)、愛知工業(yè)大學(xué)和兵庫縣立大學(xué)的科研團隊合作，首次報道了實驗測量的單個結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管的極限拉伸強度。其強度取決于納米管的手性結(jié)構(gòu)，其中小直徑、近扶手椅狀納米管具有最高的拉伸強度。這種觀察到的結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)依賴的原子間應(yīng)力得到全面的理解，它集中在真實納米管中不可避免存在的結(jié)構(gòu)缺陷上。這些發(fā)現(xiàn)突出了在試圖制造最強材料時應(yīng)該合成的目標納米管結(jié)構(gòu)。該研究成果以題為“Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures”的論文發(fā)表在《Nature》子刊《Nature Communications》上（見文后原文鏈接）。

圖文速覽

本文報告了第一次直接測量單個結(jié)構(gòu)定義的單壁碳納米管（以下簡稱納米管）的極限拉伸強度，為納米管結(jié)構(gòu)的強度和斷裂韌性提供了清晰的見解。所測得的16種納米管的強度均在25-66 GPa范圍內(nèi)，且與手性結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中直徑較小、接近扶手椅的納米管的拉伸強度最高。這種觀察到的結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系可以通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)依賴的原子間應(yīng)力及其在結(jié)構(gòu)缺陷處的濃度來全面理解，而這在實際的納米管中幾乎是不可避免的。化學(xué)鍵的方向主要影響納米管的凈強度，而應(yīng)力集中的概念依賴于經(jīng)典的線性彈性斷裂力學(xué)，仍然部分適用。本文成功地建立了一個經(jīng)驗公式來預(yù)測實際納米管的強度，包括無意的結(jié)構(gòu)缺陷。這些發(fā)現(xiàn)清楚地強調(diào)了要合成的目標納米管結(jié)構(gòu)，當試圖用碳納米管制造最強的宏觀材料時，這些結(jié)構(gòu)不受很好的約束，但可能有選擇性地生長。

圖1. 結(jié)構(gòu)定義的納米管

圖2. 拉伸強度測量

圖3. 極限拉伸強度的手性依賴性

圖4. 納米管拉伸強度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/span>

小結(jié)

本文研究結(jié)果可以看出，不同類型的納米管的拉伸強度可能在~60GPa以上，這是建造太空電梯的最小閾值要求。由于實現(xiàn)強度>60 GPa的結(jié)構(gòu)選擇性要求沒有受到很好的限制，因此在不久的將來，在（d，θ）的目標范圍內(nèi)制造生長長的、精密結(jié)構(gòu)的納米管似乎是可行的。因此，本文的研究結(jié)果強調(diào)：為實現(xiàn)這些高強度結(jié)構(gòu)材料而應(yīng)選擇性合成的目標化學(xué)結(jié)構(gòu)，并對真正的碳納米管的斷裂機制提供一個全面的理解，本文工作為開發(fā)新的方法來克服當前真正的碳納米管強度極限提高提供思路。

文章官網(wǎng)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10959-7