《科学》：研究发现碳纳米管薄层的独特力学性质

美国和巴西科学家的一项最新研究，发现了碳纳米管薄层（nanotube sheet）在受到拉伸或压缩时，可以表现出一种超乎想象的力学性质。这一成果有望为碳纳米管带来巨大的应用前景，比如制造人工肌肉、传感器等。相关论文发表在4月25日的《科学》杂志上。
 
大多数材料在朝一个方向拉伸时，另一个方向就会变细变窄，比如橡皮筋。这种现象可以用泊松比（Poisson’s ratio，侧向收缩比例与实际伸长比例的比值）来定量描述。然而，最新研究发现，一种特殊的碳纳米管薄层（也称巴克纸）却能够在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度同时增加。也就是说这种材料具有负的泊松比。

图片说明：巴克纸中的多壁碳纳米管在原子力显微镜下的图像。
（图片来源：University of Texas at Dallas）

 领导该项研究的是美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米技术研究所主任Ray H. Baughman，他也是该校的Robert A. Welch化学教授。他和同事利用古老的造纸方法——烘干纤维浆来制造上述的纳米管薄层。实验用的“浆”是单壁碳管和多壁碳管的混合物。研究人员发现，随着多壁碳管在薄层中的增加，薄层的泊松比会从0.06突然跃变为-0.20。
 
研究人员认为，这种“突变”可能与相邻碳纳米管间的不同联系模式相关。在一种情况下，这种关联结构是可压缩、可形变、可坍塌的，而在另一种情况下，这种结构是锁死的，它由于自身的可延伸性而出现了负泊松比。Baughman表示，“这种泊松比正负的突然转变太令人惊讶了，加上纳米管薄层的复杂性，这些都让我们在最初时认为，无论应用多么高超的理论都无法定量解释该现象。与巴西同事每日在互联网上的交流，让我们从那些若完全分析则太过复杂的结构中提取出一些本质特性，并最终导致成功的解释模型出现。”
 
Baughman小组随后还发现，同时包含有单壁碳管和多壁碳管的薄层与由二者单独构成的结构相比，其强度-重量比、模-重比以及韧性都要更高，分别为后者的1.6、1.4和2.4倍。
 
新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计源自纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫圈、压力传感器和化学传感器等。尤其是当调整单壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好为0时，这种材料对于设计弯曲时宽度依然不变的感应悬臂十分有效。
 
（《科学》（Science），Vol. 320. no. 5875, pp. 504 - 507，Lee J. Hall, Ray H. Baughman）
 
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