封面新闻记者 谭羽清 边雪 部分图片由被访者提供

人类对太空电梯的构想，最早可追溯到两个世纪前。1895年，俄国科学家、航天之父齐奥尔科夫斯基参观埃菲尔铁塔时迸发出对太空电梯的原始构想：能不能在赤道上建造一座直通太空的塔，像圣经里的巴别塔一样，这样一来人们乘坐升降梯就可以到达太空。2018年9月25日，日本在国际空间站上完成了人类首次在太空中移动缆绳上的容器，为实现太空电梯迈出了重要一步。

近期上映的《流浪地球2》中，出现的太空电梯再次唤起了公众对“天梯”的关注。

碳纳米管管束示意图

“碳纳米管是目前人类已经发现的材料中，唯一有希望建造‘天梯’的材料，这种新型纳米材料是人类已知的力学强度最高的材料。”张如范说道。他表示，碳纳米管是由碳原子通过SP2杂化形成的碳-碳化学键（C-C）组成，通过SP2或SP3杂化形成的碳-碳键具有非常高的键能和强度。

如果拿钢铁作为参照物，碳纳米管在单位质量上的抗拉强度（即比强度）大约是钢铁的四百多倍，而碳纤维的比强度仅为钢铁的28倍；从理论上讲，一根直径仅为2厘米的碳纳米管纤维至少能承受3200吨的重量。

而碳纳米管“百折不断”的耐疲劳特性也让它能在动荡多变的太空环境下长时间承担电梯缆绳的职责，“我们可以观察到，一个铁丝在手里反复弯折几十次就会断裂。但我们通过实验研究发现，在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。”

不同类型的碳纳米管

张如范解释：“目前能实现大批量制备的碳纳米管大部分长度都太短（一般局限在几十微米），并且存在较多的结构缺陷，没法充分发挥它们自身的优异性能，使其在制备纤维方面并不具备优势，所得到的碳纳米管纤维与理论上的性能相比还有不小的差距。”

当超长碳纳米管能够大批量制备后，长达9.6万公里的天梯缆绳的制备就变得可能，“当碳纳米管的长度达到几厘米的时候，你把它们‘搓’成一条绳子，碳纳米管相互间的摩擦力就足以比它自身的抗拉力强度还要高。当它们这样相互‘锁定’起来，碳纳米管纤维的整体抗拉力强度也就可以和单根碳纳米管的抗拉力强度更加接近。”

在超长碳纳米管的制备方面，张如范的团队在2023年取得了进一步突破，实现了超长碳纳米管产率的大幅度提升，从而在其批量制备方面又往前迈进了一大步。

目前，他的团队正在努力攻关超长碳纳米管的批量制备，希望通过进一步的研究，创造能够让更多超长碳纳米管生长的条件。或许在可以等到的将来，人们就能坐上以碳纳米管制成缆绳的“天梯”前往太空了。

值得一提的是，如果超长碳纳米管制成的超强纤维能够大批量生产，它的应用领域不仅仅是天梯缆绳，“它其实在现代社会的很多领域都有非常广阔的应用前景，比如做火箭导弹的骨架、空间站的骨架、航空母舰舰载机拦截索，军事上的防弹衣、风力发电设备的骨架材料等。”

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