小(xiǎo)說《三體》中，主人(rén)公汪淼研發的(de)武器——飛刃，既可(ke)以吊😘起一輛大(dà)🌈卡車，又可以将(jiāng)一艘巨輪切成(cheng)“撲克牌”。據小說(shuo)描述，飛刃是一(yī)種超高強度的(de)納米材料，直徑(jìng)隻有頭發絲的(de)百分之一。

雖然(rán)“吊卡車、切巨輪(lún)”的場景隻有小(xiǎo)說裡有，但現實(shí)中，科✂️學家也研(yán)制出了類似的(de)材料——碳納米管(guǎn)。碳納米管是一(yi)🍓種具🌈有特🥵殊結(jié)構的一維量子(zi)材料，主要📐由呈(cheng)六🈚邊形排列的(de)碳☀️原子共價鍵(jian)構成同軸圓管(guǎn)。

這種材料先從(cóng)石墨電弧法制(zhi)備C60的産物中發(fa)現，1991 年，日本電子(zǐ)公🐕司（NEC）的電鏡專(zhuan)家飯島澄男在(zài)石墨陰極上的(de)碳沉積物中發(fā)現了納米尺度(dù)的多層管狀物(wù)，并将碳納米管(guan)投射照片發表(biao)🐇在Nature雜志上。此後(hou)，在不🍓到三十年(nian)時間裡，碳納米(mǐ)管的宏觀拉伸(shen)🈚強度就達到了(le)目前好碳纖維(wei)的十倍，韌性達(da)到了蜘蛛絲的(de)💚40倍，碳納米管受(shou)💯到了科學界的(de)廣泛關注。

2013年，清(qīng)華大學教授魏(wèi)飛團隊成功研(yán)制出單根長達(da)半米的碳納米(mǐ)管，并且創造了(le)新的世界紀錄(lù)。

在魏飛的願景(jǐng)中，碳納米管的(de)未來就如同《科(ke)學美國人》雜志(zhì)⭐中‼️提到的場景(jǐng)：利用碳納米管(guǎn)制作一根太空(kong)⭕天梯，可以🔴使人(ren)類沿着天梯直(zhi)接從地球通往(wǎng)太空。人類可以(yǐ)通過它向空間(jian)站運輸物資，甚(shen)至能随時到太(tai)🚩空旅遊。

“國際學(xué)術會議20年前就(jiù)讨論碳納米管(guan)是、超韌的下一(yi)🈲代材♊料。”魏飛在(zai)接受《大國之材(cái)》采訪時表示，正(zheng)因如此，魏飛及(jí)其📞課題組在2000年(nian)左右開始了碳(tàn)納米管的研究(jiū)工作。

接下來，魏(wèi)飛希望将碳納(nà)米管應用在下(xia)一代計算🌈機芯(xīn)片中，創造出更(geng)多的奇迹。

01

“畢生(shēng)奉獻”為國家

“學(xue)識淵博術業精(jing)，立足展望皆頂(ding)峰。隻因胸中抱(bao)負在，畢生奉獻(xiàn)為化工。”這是清(qīng)華2009級直博生張(zhāng)如範寫給導師(shi)魏飛的詩句，也(ye)是對他在清華(huá)大學近30年教學(xué)科研工作的好(hao)總結。

“我們高校(xiao)就應該尋找新(xin)的方向，為國家(jia)的未來發📞展😄起(qǐ)作用。”問及當初(chu)為何會選碳納(na)米管作為研究(jiū)方向，魏飛表示(shi)🐉，在🐅他✨看來解決(jué)國家和社會問(wèn)題是工科人的(de)基本想法。

事實(shí)上，将其學生的(de)詩句改為“畢生(sheng)奉獻為國家”同(tong)樣合适。從事基(ji)礎研究以來，魏(wèi)飛及其團隊就(jiù)在時刻诠釋着(zhe)🐆“畢生奉獻為國(guo)家”這句話。

2000年前(qian)後，魏飛結識了(le)碳納米管的發(fa)現者飯島澄男(nan)，曆經多次思想(xiang)碰撞後，魏飛确(que)定了碳納米管(guan)的研究方向，并(bing)偏向以實際應(ying)用為主。“我們當(dāng)時覺得這個東(dōng)西㊙️要是不能實(shí)際應用，你做它(tā)幹什麼？”

批量生(shēng)産是碳納米管(guan)從實驗室走向(xiàng)實際應用的重(zhong)要一✌️步。“在成功(gong)将碳納米管批(pī)量化生産後，我(wo)們才發現找到(dao)的這個應用點(dian)是錯的，後來又(yòu)調整，想别的辦(ban)法。”

在多次調整(zheng)、讨論、試驗後，魏(wei)飛及團隊确定(ding)了和一些電池(chí)企業的合作，嘗(cháng)試将碳納米管(guan)作為儲能材料(liào)導電添加劑加(jia)入到锂電池的(de)正級中。根據測(cè)試結果，添加了(le)碳納米管的锂(lǐ)電池循環次數(shu)增加30%-50%，能量🙇🏻密度(dù)提高8%。

這一技術(shù)成果正好趕上(shàng)了智能手機和(hé)電動汽車蓬勃(bó)發展的時代，應(ying)用端的變化對(duì)锂電池的性能(néng)提出了更♻️高要(yao)求。“我覺得這個(gè)事是占據了天(tiān)時地利人和，不(bú)是一個純技術(shu)的成功，我們承(cheng)認我們有技術(shu)上的🚩優勢，但是(shi)這個優勢能夠(gou)得到發揮的原(yuán)因其實是跟國(guo)家産業鍊✌️發展(zhǎn)相關。”魏飛誠懇(ken)表示道。

順勢而(ér)為，魏飛團隊與(yǔ)合作單位一起(qi)成功創建了世(shi)界大❤️的千♉噸級(ji)碳納米管生産(chǎn)企業，實現了萬(wan)噸級锂電池❌導(dao)電漿料的産業(ye)化，廣泛應用于(yú)智能手🍉機與電(diàn)動車中。

02

打造科(kē)技成果産業化(hua)樣本

其後，魏飛(fēi)團隊又制備出(chū)世界上長的單(dan)根碳納米管和(hé)拉伸強度達到(dào)到80GPa以上的超長(zhǎng)碳納米管管束(shu)。

在國家重點研(yán)發計劃“納米科(ke)技”重點專項的(de)支持✂️下，2018年，魏飛(fēi)團💋隊與同為清(qing)華教授的李喜(xi)德團隊合作研(yan)🙇🏻究，在碳納米管(guǎn)纖維領域取得(dé)突破，在世界上(shàng)首次報道了接(jiē)近單根碳納米(mǐ)💃🏻管理論強度的(de)超長碳納米管(guan)管束的制備。

2007年(nián)前後，魏飛及團(tuán)隊與杜邦、GE合作(zuò)，成功進行了百(bǎi)公斤級的🛀🏻工🔴業(ye)試驗樣品測試(shi)。也正因如此，他(tā)們吸引😘了海🈲外(wai)風⭐投的注意力(lì)。

“當時美國研究(jiu)碳納米管的團(tuan)隊、企業很多，市(shi)場的熱鬧程度(dù)不亞于前幾年(nian)中國的石墨烯(xi)市場，但那家風(fēng)投能從幾百家(jiā)團隊⛹🏻‍♀️中找到我(wǒ)，說明我們還是(shi)🔴靠譜的。”魏飛笑(xiao)着說。

将視線拉(la)回國内，與魏飛(fēi)團隊一直進行(hang)“産學研用”合作(zuo)的天奈科技可(ke)以說是一個科(ke)技成果産業化(hua)☎️的成功樣本。

“由(yóu)學校原創、研發(fa)，結合國内市場(chǎng)本土優勢，用企(qi)業的👨‍❤️‍👨經營🔱方式(shi)把原創概念做(zuo)成穩定量産的(de)産品，然後通過(guo)這個産品改變(biàn)中國在锂電池(chi)、動力電池的地(dì)位，我認為這是(shì)一個很有借鑒(jian)和代表性的案(àn)例。”魏飛對其團(tuan)隊與天奈科技(jì)就碳納米管導(dǎo)電漿料的❤️合♍作(zuo)總結道。

魏飛表(biao)示，在高端材料(liào)領域中國以前(qian)隻能是做一個(gè)産業股東，先當(dang)小弟弟，但天奈(nai)科技的成功改(gai)變了他對“高🌈端(duan)材料一🧡定要依(yi)賴國外大公司(si)或投資才能生(sheng)存”的看法。

從這(zhe)個案例中，魏飛(fēi)得出一個結論(lun)：國内某些新興(xing)産業發展的時(shí)候，研發者要能(néng)夠結合行業的(de)痛點，要注意本(běn)土的優勢，這是(shì)很重要的“天時(shi)地利人和”。

03

産業(yè)前瞻性技術亟(jí)待突破

魏飛及(ji)團隊在超長碳(tàn)納米管的研究(jiū)工作展示出了(le)制造纖維的光(guang)明前景，為發展(zhan)新型纖維指明(ming)了方向。這有🧑🏾‍🤝‍🧑🏼助(zhù)于改進🌐目前🙇‍♀️具(jù)有一定生産規(guī)模的材料，同時(shi)🚩也為材🧑🏽‍🤝‍🧑🏻料的大(da)量制備🤞奠定基(jī)📧礎，未來有望💜在(zài)大飛機、大型運(yun)載火箭、超級建(jiàn)築等多個領域(yu)大㊙️顯身手。

從2000年(nian)涉足碳納米管(guǎn)至今，魏飛已在(zài)這個行業深耕(geng)20年，他見證了🙇‍♀️行(háng)業的發展、壯大(da)，并時刻為其存(cun)在的問題擔憂(yōu)。

在魏飛看來，國(guó)内碳納米管行(hang)業在專利的數(shu)量上遠☔超國外(wai)，但大部分産品(pǐn)的性能、穩定性(xìng)比不上國外大(dà)💞公司生産的産(chǎn)🍓品。再者，專利保(bao)護環境差，抄襲(xi)問題嚴重。

“概括(kuo)來說就是專利(li)很多，但在核心(xīn)領域的專利不(bu)如歐美🧑🏽‍🤝‍🧑🏻強國，帶(dài)來的社會效益(yì)遠遠不可相比(bǐ)。”魏飛總結道，雖(sui)然碳納米管材(cái)料屬于戰略性(xìng)新興材料，但國(guó)🔱家⭐層面并未出(chū)台相關的産業(ye)發展戰略性規(gui)劃。“國内一堆人(ren)湧上去做，但這(zhe)種行為更多的(de)是市場的、短期(qi)的行為，覺得能(neng)🥰賺到錢，所以大(da)家都往這個方(fang)💯向靠，一旦冷下(xia)來則🐇無人問津(jin)，缺乏長遠有規(gui)劃的研發。”

而在(zài)産品安全性的(de)提前規避方面(mian)，國内更是一片(piàn)空白。

魏飛對《大(da)國之材》表示，我(wo)國前期在高技(jì)術産品對人🔞與(yǔ)社會的安全性(xing)是目前我們遇(yu)到的新問題，相(xiang)👌關的研究及與(yu)社會的互動非(fei)常缺乏，而中國(guo)的産業化進🌈程(chéng)又十分迅速，很(hen)多問題沒有提(ti)前研究與布局(ju)做規避和公開(kai)說明，國際上關(guān)于納米材料安(ān)全性的讨論熱(rè)度不斷，但這隻(zhi)是一個很廣泛(fàn)的概👨‍❤️‍👨念，目前碳(tan)納米管在國内(nèi)外的使用非常(cháng)廣泛，這更應該(gāi)由一個具有公(gong)信力的部門牽(qian)🔞頭對安全性、合(hé)規性做一些調(diao)研及說明。

進一(yi)步來說，碳納米(mǐ)管市場之所以(yi)還在野蠻發展(zhan)階💰段，也是🤩國家(jia)需求不足、高端(duān)市場牽引不夠(gou)。對于追求科技(jì)創新和性能突(tū)破的産品來說(shuō)，其發展可能與(yǔ)當前市場需求(qiu)是不匹配的，但(dan)作為國家戰略(lue)制高點，還是必(bì)須得有人去做(zuò)。

“國家要在材料(liào)上強大，還有相(xiàng)當長的路要走(zǒu)，産業🐆界✔️和教育(yù)界應該相通，要(yào)讓青少年就明(míng)白産業界的東(dōng)西是什麼📐。”魏飛(fei)着重⛱️強調，未來(lái)要更加看重對(duì)青少年的培養(yǎng)，因為隻有訓練(lian)一批有科研報(bào)國、産業報國理(li)想的人才，我們(men)國🔞家的科技力(li)量才會更加強(qiáng)大，下一代材料(liào)才有可能🆚被印(yìn)上“中國标簽”。

【個(gè)人介紹】

魏飛，1984畢(bì)業于石油大學(xué)煉制系有機化(huà)工專業，1990年獲石(shí)油大學有🛀🏻機化(hua)工博士學位。清(qīng)華大學化學工(gong)程✌️系教授，綠色(se)反應工程與工(gong)藝北京市重點(diǎn)實驗室主任。中(zhōng)國顆粒學會能(neng)源顆粒⛱️材料專(zhuān)業委員會主任(rèn)，發表論文600餘篇(pian)，SCI他引4萬餘次，是(shi)湯森路透近四(sì)年✂️材料領域高(gao)被引科學家之(zhī)一，也是Elsevier化工高(gao)被引學者。獲教(jiāo)育部“長江學者(zhě)”特聘教✔️授、國家(jia)傑出青年基金(jīn)等。

目前已成功(gong)實現氣固下行(hang)床催化裂化、納(nà)米聚團😘床批量(liang)❤️生産碳納米管(guan)、高速湍動床甲(jiǎ)醇制芳烴、苯胺(àn)、氯✨乙烯、丙烯腈(jīng)、間👄苯二腈等30台(tai)新概念反應器(qi)産業化，研究成(cheng)果獲國家㊙️科技(ji)進🌍步二等獎（2002年(nian)、2008年）、中石👉化科技(jì)進步一等獎、教(jiāo)育部自然科學(xué)、技術發明一等(děng)獎。