輕質、超強納米管量產技術變革工業生產

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輕質、超強納米管量產技術變革工業生產

▲ BNNT公司實現了氮化硼納米管的量產

1991年6月，日本科學家飯島澄男在研究富勒烯的過程中，在電子顯微鏡下發現了一種新型結構。該新型結構是由碳原子通過共價鍵連接，并卷曲成管狀的結構，也就是目前為人們所熟知的碳納米管（CNT）。CNT具有良好的擴展性，以及相同的共價鍵結合方式，這使其成為目前強度最大的材料。在同等質量下，其強度超過鋼的117倍，超過凱芙拉芳綸纖維的30倍。此外，其還具有良好的彈性和導電性。

CNT的發現引起了多個行業的廣泛重視。而另外一種具有優異特性的類似材料也引起了研究人員的廣泛關注。1994年，加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家馬文·科恩通過研究發現，將原子尺寸與碳相當的硼和氮元素相結合，能夠制備出與碳納米管強度相當的管狀結構。1995年，馬文·科恩的同事Alex Zettl采用電弧法在世界上首次成功合成了氮化硼納米管（BNNT）。

BNNT的合成引起了美國國家航空航天局（NASA）的注意，因為其特有的優異特性使其在太空探索中可應用于宇航員保護。例如，碳納米管在399℃就會發生降解，而BNNT能夠耐受高達899℃的溫度。此外，BNNT能夠吸收可對航天器、航天電子器件和宇航員造成損傷的中子及紫外線輻射。對于NASA而言，制備出可用于制造熱防護罩的輕質、高強度、耐高溫、能吸收輻射的BNNT復合材料意義重大。

但是，要實現BNNT在航天領域的應用，首先必須克服BNNT的批量制備難題。當時，研究人員每次僅能合成指尖大小的BNNT樣品。

麥克·史密斯曾經是NASA蘭利研究中心的研究員。2001年，他帶領蘭利研究中心的科學家團隊嘗試了不同的方法，以大規模合成這種超微小的獨特納米管材料。NASA和美國能源部為BNNT量產技術的研發提供了數百萬美元的資金支持。麥克·史密斯領導的研究團隊與美國國家航空航天研究所（NIA）的研究人員合作，在杰斐遜實驗室周邊開展了研發工作。杰斐遜實驗室擁有的世界上最強大的自由電子激光器曾在碳納米管的生產研究中發揮了較為重要的作用。

2008年，該研究團隊成功生產出了世界上首批大規模、高質量的BNNT樣品。簡單來說，這一成功的制備方法需按照一定的比例將硼和氮置于高壓反應箱中，然后向反應箱中發射強激光，通過加熱兩種元素，形成蒸汽云，使氮元素和硼元素自組裝成氮化硼納米管。在接下來的幾年時間里，該研究團隊進一步優化調整這種制備技術，尤其重視提高生產效率。最終，成功通過使用標準工業焊接激光器，達到每小時合成20mg氮化硼納米管的生產能力。NASA、杰斐遜研究協會和NIA共同申請了BNNT合成專利技術。

2010年，在意識到BNNT材料的商業價值之后，杰斐遜實驗室自由電子激光器部的總工程師凱文·喬丹和杰斐遜實驗室的首席執行官羅伊·惠特尼等參與過BNNT研發工作的研究人員在弗吉尼亞州成立了BNNT有限責任公司。而BNNT合成專利技術的領銜發明人麥克·史密斯于2011年離開NASA，成為這一新創公司的首席科學家。

▲NASA希望使用BNNT制造火星采樣返回器等航天器的結構部件

BNNT公司從NASA獲得了BNNT合成專利技術的授權，并致力于進一步提高BNNT的生產效率。2014年5月，該公司宣布，其進一步完善了BNNT合成基礎技術，生產效率達到每小時200mg。2014年7月，該公司生產的BNNT首次上市銷售。

BNNT產品具有穩定的需求，除NASA希望將其應用于制造航天器的熱防護材料外，其也在其它領域顯現出了重要的應用價值，如急救人員的防護服、電絕緣材料，甚至還能用于軟組織腫瘤的治療。NASA和BNNT公司一直保持著密切的合作關系。通過一項航天法案協議，NASA蘭利研究中心從BNNT公司獲得穩定的BNNT樣品供貨，而蘭利研究中心向BNNT公司提供建模和模擬分析，以及材料的表征分析，以幫助他們進行質量控制，繼續提高BNNT的質量和生產效率。此外，他們還合作對BNNT的其它合成方法進行了試驗。例如，BNNT公司的研究人員正在探索將蘭利研究中心的等離子發生器作為熱源用于BNNT的蒸汽化過程，以開發出一種成本更低的制備方法，替代激光。BNNT生產成本的降低將惠及工業領域和NASA，有利于采用BNNT制造結構復合材料。NASA和NIA的研究人員正共同致力于對BNNT進行深入的研究，希望該技術未來能用作熱防護罩或航天器外殼的一部分，以保護宇航員免受高溫和輻射的傷害，更安全地探索火星和其它天體。

此外，BNNT的輕質、高穩定性特點使其成為取代航天器和航空器發動機中陶瓷和金屬部件，以及火箭噴嘴的理想材料。

研究人員稱，BNNT因其具有獨特性能，其未來的應用潛力巨大。目前，研究人員正在探索更多的合成方法，以推進其未來的廣泛應用。

(唐 甜)

Lightweight,Ultra-Strong Nanotubes to Transform Industry