供稿|趙婷婷，楊瑤

內(nèi)容導(dǎo)讀

近20年來納米材料科學(xué)的蓬勃發(fā)展以碳納米管和石墨烯的研究為典型代表。如何將納米材料在微觀尺度的優(yōu)異性能在宏觀尺度進行良好表達，得到性能優(yōu)異的商業(yè)化產(chǎn)品？這也給科技工作者帶來極大的困惑。納米材料科學(xué)在發(fā)展初期受“自下而上”方法論的影響，極大地促進了納米材料科學(xué)的發(fā)展，然而其局限性限制了納米材料的應(yīng)用之路，“系統(tǒng)工程”的思想應(yīng)運而生，為解決納米材料的應(yīng)用這一難題提供了新的方法論。從“系統(tǒng)工程”的角度來看，在微觀尺度上性能優(yōu)異的納米材料，若要在宏觀尺度取得相應(yīng)優(yōu)異的性能，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用以造福人類，首先納米材料的應(yīng)用需要借助于多級結(jié)構(gòu)，其次在納米材料的應(yīng)用研究中應(yīng)以研究體系中各個組分之間的相互關(guān)系為側(cè)重點。按照“系統(tǒng)工程”的思想，對納米材料的研究應(yīng)該側(cè)重于根據(jù)宏觀材料的需求，研究出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)單元組裝方式，最大限度地發(fā)揮每種結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)點，最終實現(xiàn)體系的效益最大化。

美國著名理論物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費曼在其題為“在底部還有很大空間”的演講中指出：“如果我們能從更小的尺度對物質(zhì)進行排布控制，則在宏觀尺度我們將收獲極多可能的性質(zhì)以及不同的應(yīng)用”[1]。這次演講被看作為納米科學(xué)以及材料科學(xué)的發(fā)展提供了方法論，即若要獲得材料在宏觀尺度的優(yōu)異性質(zhì)，需要從微觀尺度開始進行“自下而上”的結(jié)構(gòu)設(shè)計。遵循這一思路，科學(xué)家們試圖在微觀尺度上制備結(jié)構(gòu)與性能近乎完美的納米材料，以期在宏觀尺度得到性能優(yōu)異的材料。納米材料科學(xué)的蓬勃發(fā)展以碳納米管和石墨烯為典型代表。圍繞這兩種材料的研究是過去近20年納米材料科學(xué)的主題，并且這種趨勢在未來幾年內(nèi)還將持續(xù)。

盡管納米材料科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)取得了巨大的成就，然而目前還沒有基于納米材料的成熟商業(yè)化產(chǎn)品面世。納米材料除了引起科學(xué)家的極大興趣，對普通民眾的影響卻十分有限。這也給科技工作者帶來極大的困惑。如何將納米材料在微觀尺度的優(yōu)異性能在宏觀尺度進行良好表達，得到性能優(yōu)異的商業(yè)化產(chǎn)品？大部分科學(xué)家致力于從技術(shù)角度去解決面臨的問題，但是對納米材料研究采用的方法論是否合理關(guān)注不足。如果從“系統(tǒng)工程”的角度看納米材料科學(xué)在發(fā)展中遇到的問題，就能很清晰看到費曼提出的“自下而上”方法論的局限性，從而為實現(xiàn)納米材料的應(yīng)用提供新的方向[2-4]。

“自下而上”方法論在納米材料科學(xué)發(fā)展中的局限性

圖1顯示了3種典型納米材料相關(guān)的SCI論文發(fā)表數(shù)量隨年份的變化關(guān)系。從圖中可以看出，近年來僅與碳納米管相關(guān)的SCI論文數(shù)量就達到了每年1萬篇以上，而且其發(fā)表數(shù)量仍處于飛速上升階段。其原因在于這些材料在納米尺度具有近乎完美的性質(zhì)。

圖1 三種典型納米材料相關(guān)的SCI論文數(shù)量與年份關(guān)系[5]

以碳納米管為例，其結(jié)構(gòu)示意圖以及透射電鏡照片如圖2所示。碳納米管可以看作由石墨烯層沿著一定的矢量方向卷曲閉合形成的管狀結(jié)構(gòu)。按照石墨烯片的層數(shù)，碳納米管可以分為單壁、雙壁以及多壁碳納米管。碳納米管中的碳原子之間通過sp2雜化形成的σ鍵構(gòu)成，而σ鍵是自然界中最強的化學(xué)鍵。因此，碳納米管在其軸向具有極強的力學(xué)性質(zhì)。理論計算表明，結(jié)構(gòu)完美的碳納米管楊氏模量達到1012Pa、斷裂強度可達到105Pa，遠高于目前常用的高強度纖維材料。其次，在電學(xué)性能方面，金屬性的碳納米管具有比石墨更高的導(dǎo)電率；在熱學(xué)性質(zhì)方面，碳納米管具有極高的導(dǎo)熱率，在常溫下其導(dǎo)熱系數(shù)為目前導(dǎo)熱率最高的材料金剛石的3倍以上；在化學(xué)性能方面，碳納米管本身是一種具有化學(xué)惰性的材料，而通過對碳納米管進行一定的化學(xué)修飾或者催化劑負載能夠使其具有化學(xué)活性[8-10]?？偠灾?，碳納米管在各個方面都表現(xiàn)出非常優(yōu)良的性能，在各個領(lǐng)域均具有非常良好的應(yīng)用前景。

圖2 (a) 碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖；(b～d) 分別為單壁碳納米管、雙壁碳納米管以及多壁碳納米管的TEM圖[6-7]

盡管關(guān)于碳納米管的基礎(chǔ)研究取得了非常大的成就，發(fā)表了大量的成果，但是碳納米管的應(yīng)用之路卻走的相當(dāng)艱辛。目前，市面上成熟的碳納米管商業(yè)化產(chǎn)品鳳毛麟角。之所以會造成這種局面，可能與其研究的方法論有關(guān)系。碳納米管應(yīng)用的一個重要方面是作為增強材料，結(jié)合碳納米管在增強領(lǐng)域應(yīng)用的路線圖進行說明，如圖3所示。

圖3是一種典型的“自下而上”的研究思路。碳納米管應(yīng)用的第一階段是如何制備出結(jié)構(gòu)完美的碳納米管以及大規(guī)模制備。在這一階段系統(tǒng)的復(fù)雜性相對較低，因此，大部分與碳納米管相關(guān)的研究均集中在這一階段，也取得了非常出色的研究成果，此時，“自下而上”這種方法論的可靠性相對較大。在第二階段，當(dāng)碳納米管與材料進行復(fù)合時，由于有新物質(zhì)的引入，系統(tǒng)的復(fù)雜性上升。此時，系統(tǒng)要面臨的問題是如何實現(xiàn)碳納米管在基體中的良好分散，以及碳納米管與基體之間的較強的相互作用力。在此基礎(chǔ)上，能否實現(xiàn)這種復(fù)合材料的大規(guī)模制備也是一個巨大挑戰(zhàn)。在這一階段相關(guān)的研究工作仍然較多，然而進展卻十分緩慢，且大部分研究工作側(cè)重解決這其中的某一問題，如分散、相容性、大規(guī)模制備等，常常會出現(xiàn)顧此失彼的狀況，“自下而上”的研究思路的弊端便開始顯露。在第三階段需要考慮材料制備工藝的可靠性與經(jīng)濟性、與其他產(chǎn)品相比的競爭性、環(huán)境安全等因素使得系統(tǒng)的復(fù)雜性極大增加，出現(xiàn)的問題也越來越難以駕馭與平衡，這也是造成碳納米管無法商業(yè)化應(yīng)用的主要原因。

圖3 碳納米管在復(fù)合材料增強領(lǐng)域應(yīng)用的“自下而上”路線圖

綜上所述，按照“自下而上”方法論從細節(jié)出發(fā)解決宏觀以及整體問題固然有其合理性，然而若將整體問題分割成一個個單獨的細節(jié)問題會忽視細節(jié)問題之間的相關(guān)性，以致在還原為整體問題時會出現(xiàn)偏離以及失真。其次，任何事物都有其兩面性。在微觀尺度的優(yōu)點與缺點，隨著環(huán)境的不同以及條件的改變，在宏觀尺度上能有截然不同的體現(xiàn)。這一問題在材料科學(xué)領(lǐng)域尤為突出，比如在微觀上將納米材料的性能做到了極致，而在宏觀上材料的性能仍與期待值相差甚遠。材料要實現(xiàn)某一功能，涉及不同結(jié)構(gòu)單元的性能、不同結(jié)構(gòu)單元之間的組織方式以及不同尺度下結(jié)構(gòu)單元的性能表達。因此“系統(tǒng)工程”思想將是一種更合理的方法論。

自然界中“系統(tǒng)工程”思想在材料領(lǐng)域的體現(xiàn)

“系統(tǒng)工程”思想運用的典范當(dāng)屬自然界。在生態(tài)系統(tǒng)中，各個物體相互依存、相互聯(lián)系，形成一個運行良好、相對穩(wěn)定的復(fù)雜體系。大自然能夠化腐朽為神奇，將微觀上力學(xué)性質(zhì)很差的物質(zhì)通過一定的結(jié)構(gòu)形式聯(lián)系起來，組裝成宏觀上力學(xué)性質(zhì)非常出色的材料。如科學(xué)家常常驚訝于貝殼類結(jié)構(gòu)所具有的高強度，貝殼類結(jié)構(gòu)是由95%以上的硬碳酸鈣與少量的蛋白質(zhì)構(gòu)成，而在通常意義上，碳酸鈣以及蛋白質(zhì)都是非常軟的物質(zhì)[11-12]。這其中就蘊含著“系統(tǒng)工程”的思想，其路線圖如圖4所示。

圖4 貝殼類結(jié)構(gòu)中蘊含的“系統(tǒng)工程”思想

同樣是用作力學(xué)增強材料，貝殼類結(jié)構(gòu)中基本的結(jié)構(gòu)單元為碳酸鈣與蛋白質(zhì)，就微觀結(jié)構(gòu)單元而言，這兩種材料都不如碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能完美，然而將這兩種材料按一定比例進行復(fù)配能夠使貝殼類結(jié)構(gòu)具有高達幾百兆帕的拉伸強度，而純碳納米管宏觀體材料要實現(xiàn)這一點并不容易；更重要的是，這種材料具有的經(jīng)濟性、可修復(fù)性以及環(huán)境友好性等是普通的納米材料所無法比擬的。從圖4中可以看出，運用“系統(tǒng)工程”的思想進行材料制備，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增大，系統(tǒng)的可靠性越大。類似的例子在大自然界中隨處可見，如壁虎爪子神奇的吸附能力、荷葉的疏水性等[13]。這些功能的實現(xiàn)往往依賴于多級結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)在于將不同結(jié)構(gòu)單元有機結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這體現(xiàn)了“系統(tǒng)工程”思想中強化事物之間彼此聯(lián)系的概念。

研究基本的學(xué)術(shù)問題一般需要提供一個非常干凈純粹的體系，排除其他干擾因素的影響。此時系統(tǒng)的復(fù)雜程度相對較低，這時將一個復(fù)雜的問題進行分解是一種非常有效的方法。相比而言，材料科學(xué)是連接基礎(chǔ)科學(xué)與實際應(yīng)用的橋梁，需要考慮的因素包括社會化大生產(chǎn)、環(huán)境安全等因素，因此系統(tǒng)的復(fù)雜性相對較大，此時就需要效仿自然，利用“系統(tǒng)工程”的思想進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

運用“系統(tǒng)工程”的思想指導(dǎo)納米材料的應(yīng)用之路

在“自下而上”方法論的指導(dǎo)下，納米材料在微觀尺度的研究已經(jīng)取得輝煌的成就。然而若要推動納米材料走向應(yīng)用之路則需要運用“系統(tǒng)工程”的思想。從“系統(tǒng)工程”的角度來看，納米材料這種在微觀尺度上性能優(yōu)異的材料，若要在宏觀尺度取得相應(yīng)優(yōu)異的性能，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用以造福人類，需要從以下兩方面努力。

首先，納米材料的應(yīng)用需要借助于多級結(jié)構(gòu)。這里所指的多級結(jié)構(gòu)，一方面是指在應(yīng)用時體系中應(yīng)該引入其他的材料；另一方面，不同的材料應(yīng)當(dāng)具有一定的組織關(guān)系以及結(jié)構(gòu)模型。在目前的研究中，仍有一部分研究者期望一蹴而就，由單一納米材料構(gòu)成宏觀體以實現(xiàn)應(yīng)用。例如：由碳納米管做出宏觀尺度上的膜、能夠通向月球的繩子等[14-15]，這可以被看作是科學(xué)家在美學(xué)上的一種追求，太過于理想化。在實際情況下，任何材料都有其兩面性，某一方面的優(yōu)勢往往伴隨著另一方面的劣勢。這就意味著在實際情況下，單一納米材料無法應(yīng)對復(fù)雜性系統(tǒng)，只有協(xié)同不同的結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合不同類型的材料，材料之間相互取長補短，才能更好地實現(xiàn)納米材料的應(yīng)用。

其次，在納米材料的應(yīng)用研究中，體系中各個組分之間的相互關(guān)系應(yīng)為研究的側(cè)重點。“系統(tǒng)工程”思想的核心在于從整體出發(fā)，研究系統(tǒng)內(nèi)各個結(jié)構(gòu)單元之間的相互關(guān)系對系統(tǒng)的影響。自然界已經(jīng)向我們展示了如何通過巧妙的組合關(guān)系，將性能較差的結(jié)構(gòu)單元組裝成性能優(yōu)異的宏觀材料。目前對納米材料的研究側(cè)重于追求微觀結(jié)構(gòu)上的完美，從“系統(tǒng)工程”的角度看，這種做法會給系統(tǒng)帶來額外困難。此外，在與其他結(jié)構(gòu)單元進行組合時，需要有針對性地體現(xiàn)某一功能而弱化另一功能。因此，按照“系統(tǒng)工程”的思想，對納米材料的研究應(yīng)該側(cè)重于根據(jù)宏觀材料的需求，研究出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)單元組裝方式，最大限度地發(fā)揮每種結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)點，最終實現(xiàn)體系的效益最大化。

結(jié)束語

納米材料科學(xué)長久以來一直沿用“自下而上”的方法論，這一方法論在納米材料的發(fā)展初期由于系統(tǒng)的復(fù)雜性較低，能夠很好的促進納米科學(xué)的發(fā)展。然而在納米材料的實際應(yīng)用方面，需要綜合權(quán)衡各方面因素，系統(tǒng)的復(fù)雜性將大大提高，此時“系統(tǒng)工 程”的思想能夠為解決納米材料的應(yīng)用難題提供新思路。