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大四学生如何在《自然》子刊上发文章?答案是

2018-08-14 16:00来源:人生哲理作者:于公谨啊点击:

原标题:大四学生如何在《自然》子刊上发文章?答案是多吃拉面

白云祥是我的师弟,3年前跨专业加入了我们的课题组,准备成为一名化工专业的博士生。在过去的三年中,我见证了他从对课题一头雾水,一步步走到成功发表论文

我们搞的碳纳米管是个啥?

作为组里的中高年级博士生,我经常被问到一个问题:什么是碳纳米管

虽然我自己不做这方面的研究,但被问得多了,我也积累出了回答的套路。我往往会先反问一个看似毫不相关的问题:

你看过《三体》么?

《三体》是从一名纳米材料科学家汪淼的视角展开的。我经常半开玩笑地说,汪淼的原型就是我导师魏飞老师,因为小说中汪淼的超强线性材料“飞刃”,原型应当就是碳纳米管

三体中“飞刃”被用来执行代号“古筝行动”的秘密军事行动,这种极细的丝状纳米材料将叛军船只“审判日”号切割成了条状。图片来源:COLTZ 绘。

碳纳米管最引人瞩目的一点就是具有超高机械强度和很小的密度。如果人类想要建立前往太空的电梯,碳纳米管是唯一一种能够跨越如此长的距离而不被自身重量拉断的材料。

而从实验室到实用的过程中,将碳纳米管组装成管束或者纤维就是非常重要的一环。

碳纳米管的理论断裂强度超过100 GPa(作为对比,目前能实现工业化量产的典型碳纤维——T800型碳纤维的断裂强度为5 GPa左右),如果碳纳米管管束或者纤维能发挥出理论强度的八成功力,比如达到80 GPa,就足以超越现有的碳纤维10倍还多了。

但是目前,只要将碳纳米管做成管束或者纤维,其机械性能就会急剧下降,完全不能与单根碳管相比,原因可能源于管束或纤维的缺陷、取向、不连续性等各种各样的奇怪问题。这些问题一直阻碍着碳纳米管在力学领域的实用化进程。

大四学生如何在《自然》子刊上发文章?答案是

超长碳纳米管管束示意图,每根超长碳纳米管的直径大约在2纳米左右,头发丝的万分之一粗。图片来源:参考文献1

实验一天只能做两次

啥时候是个头哇

与碳纳米管打交道是我们课题组的专长。在这之前,我们组就合成了世界最长碳纳米管[2]。还观测到多层碳纳米管内层抽出来的过程中,内外层之间没有摩擦——这被称为超润滑现象[3]。此外,我们还在世界上首次实现了碳纳米管的年产千吨级制备,用化学工程的思想把碳纳米管从比黄金还贵的玩意成功搞成了白菜价。

但是,不同于已经年产千吨级的聚团状或者垂直阵列状碳纳米管,超长碳纳米管的制备条件极为苛刻。超长碳纳米管的生长过程受到非常多种因素的影响,包括原料气纯度及配比、反应温度、反应压力、停留时间、水蒸气含量、气流均匀性、催化剂设计、反应基底等等。另外,超长碳纳米管的产率也极低。因此它的可控制备方法一直被公认为是碳纳米管研究领域中的重大难题,对于没有相关背景的师弟而言更是一项不小的挑战

刚开始的一段时间里,白云祥怎么样都摸不透碳纳米管的生长条件,那么多影响因素,很多时候甚至都不知道是一个出了问题还是哪几个同时出了问题。由于反应炉要加热到1000℃以上,反应之后降温的过程很慢,所以每天满打满算只能做两次条件实验。如此一来实验成功看上去简直遥遥无期,这令他有了很强的挫败感。

好在功夫不负有心人,经历两个多月的努力,在课题组师兄师姐的帮助下,白云祥终于总结出了调节超长碳纳米管生长条件的规律。但是这只是最基本的生长超长碳纳米管水平阵列的制备,这之后才是最关键的问题怎么样才能在看不见摸不着的情况下将它们从一根根的平行排列的形貌给并到一起形成管束呢

除夕夜还在做实验

终于能本科毕业了?

他设想了很多种方案,最终决定采用一种叫做原位气流聚焦的方式进行实验。可是实际实施起来远比他想象的要困难得多,在刚开始尝试合成管束的几个月时间里面,他不是发现超长碳纳米管长不出来,就是发现即使长出来了也无法按照自己的设想合并成为管束。