伟飞：太空电梯出现在科幻作品中，但你不需要火箭，而是火箭。乘坐电梯可直接前往空间。太空电梯的原理是，一根很长的电缆的一端固定在赤道地面上，另一端连接到地球静止轨道上的空间站，并在更远的地方放置一个配重。当地球自转时，向上的离心力和向下的重力拉紧缆索，使电梯轿厢沿着缆索来回移动。早在 1895 年，科学家就提议建造一个通往太空的“楼梯”。尽管这个想法已经提出一百多年了，但它似乎仍然停留在想象阶段。因为？这个问题的关键是找到足够坚固的电缆材料。太空电梯电缆必须同时承受巨大的重力和离心力，需要材料具有极高的抗拉强度。有没有一种“超级材料”既轻又坚固？ 1991年，科学家发现了碳纳米管，给太空电梯研究带来了希望。碳纳米管是碳原子排列成六角形蜂窝结构的中空管状材料，直径从几纳米到几十纳米不等。尽管其身体细长，但它是人类发现的机械性能最好的材料之一。理论上，单壁碳纳米管的拉伸强度可以超过100吉帕，比最好的钢高数百倍。它具有高达 1 兆帕的杨氏模量（材料刚度的衡量标准），使其很难拉伸或变形。更不寻常的是，它的密度仅为钢的约1/4，单位质量的强度却极高。中国科学家正在努力让碳纳米管尽快走出实验室进入太空。化学工程学院反应工程团队清华大学教授多年来一直致力于碳纳米管材料的可控制备与应用研究，努力解决材料的问题。一是突破长度限制。实际生产的碳纳米管长度通常只有几十微米，内部存在很多结构缺陷，因此实际电阻比理论值小很多。 2013年，研究小组发现，通过提高催化活性的概率，长度为0.5米的碳纳米管能够生产出长度超过一米的单根碳纳米管，为大规模生产超长碳纳米管奠定了基础。研究小组还在研究“超强”纤维聚集体。无论碳纳米管有多强，它都不能用作电线。数以千计的碳纳米管需要“扭曲”才能形成宏观纤维。 2018年，化工学院团队清华大学航空航天学院在《自然·纳米技术》杂志上发表论文，利用气流聚焦法制备了拉伸强度超过80 GPa的厘米级超长碳纳米管束。太空电梯电缆必须承受反复拉伸，并且必须“不断弯曲”。 2020年，研究团队在《科学》杂志上发表了一篇文章，其中他们通过实验测试了单个碳纳米管的抗疲劳能力。他们发现碳纳米管可以拉伸数亿次而不会断裂，即使在负载去除后也能保持超高的初始强度。尽管碳纳米管研究已经取得了长足的进步，但距离建造太空电梯还有很长的路要走。大规模的准备是困难的。目前实验室可制备的超长碳纳米管长度在0.5米至1米之间，但太空电梯电缆必须达到数万公里。太空环境是一个考验，电缆必须穿过地球。气体层必须能抵抗风雨、雷电以及高能宇宙射线和太空中原子氧的腐蚀。除了电缆之外，太空电梯还涉及复杂的工程问题，例如电梯轿厢的下部结构和电气系统。解决这些问题需要跨学科合作。尽管太空电梯仍然出现在科幻电影中，但碳纳米管研究的发现和进展为这一想法奠定了坚实的物质基础。从实验室到应用的道路漫长而艰辛，但这就是科学探索的魅力。每一次进步都是对未知的探索，每一步前进都突破了人类能力的极限。也许在不远的将来，太空电梯将成为人类真正到达星空、到达太空的阶梯。海洋。 （作者为清华大学化学工程系。（清华大学教授、记者吴越编辑）人民日报（2026年1月24日第6页）
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