来自基尔大学(CAU)和多伦多大学的功能性纳米材料工作组的科学家们现在已经开发出了一种新的方法，可以用细小的、线形的碳纳米管(CNTs)来形成一个稳定的抗撕裂层。这是一个自组装过程——就像制栈过程。图片来源:Fabian Schütt

碳纳米管是一种非常轻量的，导电性能优良的，而且比钢更稳固的新型材料。根据其独特的性能，它们是许多应用的理想材料，包括超轻电池、高性能塑料和医用植入物等。然而，迄今为止，科学领域和工业上都仍然很难将这种纳米级的具有非凡特性的材料应用到实际的工业生产当中。碳纳米管要么不能与其他材料充分结合，要么一旦结合，就失去了其独特的性能。基尔大学(CAU)和多伦多大学的功能性纳米材料工作组的科学家们已经开发出了一种替代方法，这种方法可以将微小的碳纳米管与其他材料结合起来，并且保持其特有的特性。该研究结果现已发表在 Nature Communications杂志上。

“尽管碳纳米管像纤维束一样灵活，但它们对变化也很敏感，”Rainer Adelung教授解释道，他是CAU大学的功能纳米材料工作组的负责人。“以前尝试用化学方法将它们与其他材料结合起来，它们的分子结构也会发生变化。然而，这使得他们的性能急剧恶化。”

相比之下，来自基尔大学和多伦多大学的研究团队采用的是一种简单的湿化学渗透法。将CNTs与水混合，滴入一种由氧化锌制成的多孔陶瓷材料，这种材料可以像海绵一样吸收液体。滴落的线状CNTs附着在陶瓷基材上，并自动形成一个稳定的层。陶瓷基材上覆盖着纳米管。这对陶瓷基材和纳米管的涂层都有很好的效果。

一方面，陶瓷基材的稳定性非常好，它可以承受10万倍于自身的重量。期刊论文第一作者Fabian Schütt说:“在CNT涂层的情况下，陶瓷材料可以承载7.5公斤左右的重量，而如果没有涂层就只能承载50g—就好像我们为基材穿上了一层碳纳米管制作的紧身套衫一样，并且这个外套为其提供了机械支撑。材料受到的压力被CNT的抗拉强度所吸收。压缩力被转化为拉力。”

这一原则与亚洲普遍存在的竹制建筑类似。竹竿与一根简单的绳子紧紧地绑在一起，这样轻质的材料就能形成非常稳定的脚手架，甚至一整个建筑。“我们只是在纳米级的纳米材料上做了同样的工作，它把自己包裹在陶瓷材料的周围，只是量级小得多，”Helge Krüger说，他是该论文的合著者之一。这些材料科学家们能够证明他们的合成方法的另一个主要优势。在第二步中，他们使用化学蚀刻法将陶瓷基材溶解了。剩下的就是一个精细的3D网络，每个网络都由一层微小的CNT组成。通过这种方式，研究人员能够极大地增加材料的表面积，从而为反应创造更多的机会。Schütt解释说:“我们基本上把一个沙滩排球场地大的面积打包成一个1厘米的立方体。”三维结构内部的巨大中空空间可以被聚合物填充。因此，CNTs可以与塑料进行机械连接，而不需要改变其分子结构和特性。“我们可以把CNTs进行特殊排布，并制造一种导电的复合材料。Schütt说:“要做到这一点，只需要普通的CNTs的一小部分，可以达到同样的导电性。”

在这个简单的步骤中，将水与CNTs混合，并滴入一种白色的陶瓷材料中。陶瓷就像海绵一样吸收了黑色的液体。图片来源:Julia Siekmann，基尔大学

应用包括在电池和过滤技术中，将其作为导电塑料的填充材料，用于再生医学的植入物、纳米级的传感器和电子元件。这种抗腐蚀材料的高导电性也可以应用于柔性导电材料，比如在功能性服装领域或者在医学技术领域。Adelung说:“创造一种可以刺激骨骼或心脏细胞生长的塑料也是可以实现的。”由于这个方法非常简单，科学家们一致认为，该过程也可以应用到其他纳米材料的网络结构中，这将进一步扩大各种材料可能的应用范围。

图片来源:Fabian Schütt

这样做的原因是陶瓷材料具有高孔隙度。在放大的情况下，我们可以看到一个由无数的四氧化锌粒子组成的精细网络。由于其特殊的结构，形成了巨大的开放空间，使流体可以渗入其中。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01324-7