（a）由連續碳納米管組成的超長碳納米管束示意圖。（b）水平排列的超長碳納米管的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。插圖：高分辨率的透射電子圖像的生長的超長碳納米管具有單，雙，三重壁。（c）氣相聚焦法（GFF）原位制備碳納米管的示意圖。（d）GFF模擬。（E，F）兩個和三個CNT束的SEM圖像。（G-I）CNT束的TEM圖像

用于纖維素納米纖維組裝的雙流聚焦通道示意圖。懸浮液（以淺棕色示出）被注入核心流中，包括DI水（藍色）和低pH值（淡綠色）的酸。納米纖維逐漸變得更加整齊，直到它們可以作為連續纖維被提取

    納米纖維具有令人印象深刻的機械性能，往往超過同類塊狀材料。然而，由這些納米纖維產生的更大尺度的材料并不總是符合預期。現在，兩項研究表明了將碳納米管和纖維素納米纖維的特殊屬性轉化為宏觀材料的策略。

    碳納米管（CNT）被人們稱為最強的已知材料之一，但是由碳納米管制成的可用纖維并不能達到這么優異的性能。原因很簡單：缺陷、雜質、無規取向和不同長度的納米管使纖維受損。現在，研究人員報告說，簡單的拉伸和松弛過程可以釋放CNT束中的初始非均勻應變，并使得我們能夠制造更強的纖維。

    “碳納米管具有高于100GPa的固有抗拉強度，但幾乎所有報道的CNT纖維都是使用團聚的CNT或垂直排列的CNT陣列制造的，這些陣列的組件短于數百微米，并含有大量的結構缺陷和雜質，從而產生張力，使其拉伸強度在0.5～8.8 GPa范圍內。清華大學的Rufan Zhang解釋說。他與斯坦福大學的同事一起，使用一種簡單的方法制備了抗拉強度超過80GPa的超長、無缺陷的CNT束。CNT束的強度的關鍵是碳納米管的生產方式。

    研究人員利用氣流定向化學氣相沉積法合成了超長納米管，其中至少有一個完美的結構壁。氣體流聚焦逐漸通過范德華力組裝成碳納米管超長束。下一步，研究人員進行了仔細的收緊和松弛纖維束的過程，因為納米管的收縮和相互滑移，它釋放了內部的應變。經過反復的拉伸和放松，納米管在束中更均勻地排列，內部應變更相似。

    這種簡單的工藝似乎可以將納米管束的拉伸強度從47 GPa提高到80 GPa。研究人員相信他們的方法可以合成超強纖維，盡管生產高質量、超長的碳納米管仍然存在一些問題。

    研究人員在獲得高質量成束的SWCNT方面已經邁出了很好的一步，通過與橋式電纜（由許多單獨導線組成束，全部承受負載）所使用的工程方法類似，可以表現出高的內在強度和工程強度，蔚山國家科學技術研究院（UNIST）的Rodney Ruoff在韓國發表評論。值得注意的是，這些是束，而不是單個纖維，而且實現由碳納米管組成的高強度的超長纖維仍然是一個重大的挑戰。

    類似的問題也困擾著纖維素納米纖維，它是樹木和植物這樣的生物系統中最豐富的結構成分。纖維素納米纖維具有高強度和剛度，但迄今為止，試圖生產類似物的復合材料要比天然產物弱15倍。

    瑞典KTH皇家理工學院的L.DanielSderberg說：”利用納米級砌塊制備具有優異性能的工程材料最大挑戰之一是在宏觀尺度上保持這些特性。“

    Sderberg與RISE生物經濟、德國DESY、斯坦福大學和美國密歇根大學的同事們一起使用納米纖維素制造了一種工程材料，這種材料確實保留了這些優異的機械性能。研究小組用非常細長的納米纖維素制造了連續纖維（或長絲），這些纖維來源于傳統的紙漿纖維。

    成功的關鍵是纖維中的納米纖維素纖維的排列。研究人員首先將納米纖維素纖維分散在水中，并使用稱為流動聚焦的微流體概念將分散體加工成纖維。排除原纖維的布朗擴散，這個過程使原纖維沿著纖維長度對齊。然后，通過降低pH值，將排列好的結構鎖定到凝膠網絡中。可以從凝膠中提取連續纖維，并且不限制長度。

    我們的由100%生物基組分（不含化石添加劑）制成的連續纖維或長絲）具有與玻璃纖維和凱夫拉纖維相同的機械性能，并且性能優于蜘蛛絲的強度和剛度，這被廣泛認為是最強的生物基材料。

    這個工藝使納米纖維素纖維的強度和剛度可以轉化為工程規模的纖維。雖然這個團隊目前只生產了少量的纖維，但他們正在與瑞典RISE生物經濟研究所合作，以擴大這一過程，達到高速連續纖維的生產。

    Sderberg說：”使用這些纖維，有可能制造100%的生物基輕質復合材料，可以用于結構要求較高的應用，如汽車產品。“由于纖維素與生物組織相容，我們設想這種材料以纖維作為支架的關鍵組件可以成為醫學上的承重材料。

    Sderberg相信醫學上的應用將在未來五年內實現，輕質、承載的建筑應用需要稍長時間才能實現。

    Buehler相信這項工作為將納米材料性能轉化為宏觀尺度分層材料的設計提供了重要的見解。

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責任編輯：殷鵬飛

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