小說《三體(tǐ)》中，主人公汪淼研發的武器——飛刃，既可以吊起一輛大卡車，又可以将一艘巨輪切成“撲克牌”。據(jù)小說描述，飛刃是一(yī)種超高強度的納米材料，直徑(jìng)隻有頭發絲的百分之一。

雖然(rán)“吊卡車、切巨輪”的(de)場景隻有小說裡有，但現實中，科學家也研(yán)制出(chū)了類似的材料——碳納米管。碳納(nà)米(mǐ)管(guǎn)是一種具有特殊結(jié)構的一維(wéi)量子材料，主要(yào)由呈六邊形排列的碳原子共價鍵(jiàn)構(gòu)成同軸圓管。

這種(zhǒng)材料先從石墨電弧(hú)法制備C60的産物(wù)中發(fā)現，1991 年，日本電(diàn)子公司(sī)（NEC）的電鏡專(zhuān)家飯島澄男在石墨陰極(jí)上的(de)碳沉積物中發現了納米尺度的多層管(guǎn)狀物(wù)，并将碳納米管投射照片(piàn)發表(biǎo)在Nature雜志上。此後，在不到三十年時間(jiān)裡，碳納米(mǐ)管的宏觀拉伸強度就達(dá)到了(le)目前(qián)好碳纖維的十倍，韌性達到了蜘蛛絲的40倍，碳納(nà)米管受到了科學界的廣泛關(guān)注。

2013年，清華大學(xué)教(jiāo)授魏飛團隊成功(gōng)研制出單根長達半米的碳納米管，并且創造了新的(de)世界紀錄。

在魏飛的願景中，碳納米管的(de)未來就如同《科學美國(guó)人》雜志中提到的場景(jǐng)：利用碳納米管(guǎn)制作(zuò)一根太空天梯，可以使人類沿着天(tiān)梯直接從地球通往太空。人類可以通過(guò)它向空間站運輸物資，甚至能随時到太空旅遊。

“國際學術會議20年前就讨論碳(tàn)納米管是、超韌的下一代材料。”魏飛在接受(shòu)《大國之材》采訪時表示，正因如此，魏飛及其課題組(zǔ)在2000年(nián)左右開始了碳納米管(guǎn)的研究工作。

接下來，魏飛希望将碳納米管(guǎn)應(yīng)用在下(xià)一代計算(suàn)機芯片中，創造出更(gèng)多的奇迹。

01

“畢生(shēng)奉獻”為國家

“學識淵博術(shù)業精，立足展(zhǎn)望皆頂峰。隻因胸中抱(bào)負在，畢(bì)生奉獻為化工。”這(zhè)是清華2009級直博生張如範寫給導師魏飛的詩句，也是對他在(zài)清華大學近30年教學科研工(gōng)作的好總結。

“我們高校就應該尋找新的方向(xiàng)，為國家的未來發展(zhǎn)起作用。”問及當初為何(hé)會(huì)選(xuǎn)碳納米管作為研究方向，魏飛(fēi)表(biǎo)示，在他看來解(jiě)決國家和社會問(wèn)題是工科人的(de)基本想法。

事實上，将(jiāng)其學生的詩句改為“畢生奉獻為國(guó)家”同(tóng)樣合适。從事基礎研究以來，魏飛及其(qí)團隊就在時刻诠釋着“畢生奉獻為國家”這句話。

2000年前後(hòu)，魏飛結(jié)識了碳納米管的發現者飯島澄男，曆經(jīng)多次思想碰撞後，魏飛确定(dìng)了碳納米管的研究方向，并偏向(xiàng)以實(shí)際應用為主。“我們當時覺得這個東(dōng)西要是不能實際應用，你做它幹什(shí)麼？”

批量生産(chǎn)是碳(tàn)納米管從實驗室走向實際應用的重要一步。“在成功(gōng)将碳納米管批(pī)量化生産後，我們才(cái)發現找到的這個應用點是錯的，後來又(yòu)調整，想别的辦法。”

在多次(cì)調整、讨論、試驗(yàn)後，魏飛及團隊确定了和一些電池企業的合作，嘗試将碳納米管作為儲能材料導電(diàn)添加劑加入到锂電池的正級中。根據測試結果，添加了碳納米管的锂電池循環(huán)次數增加30%-50%，能量密度提高8%。

這一技術(shù)成果正好趕上了智能手機和電動(dòng)汽車蓬勃發展的時代，應用端的變(biàn)化對锂電池的性能提出了更高要求。“我覺得這個(gè)事是占據了天時地(dì)利人和，不是一個純技術的成功，我們承認我們有技術上的優勢，但是這個優勢能夠得到發揮的原(yuán)因其(qí)實是跟國家産業鍊發展相關。”魏飛誠懇表示道。

順勢而為，魏飛團隊與合作單位一起成功(gōng)創建了世界大的千噸級(jí)碳納米管生産企業(yè)，實現(xiàn)了萬噸級锂電池導電漿料(liào)的(de)産業化，廣泛應用于智能(néng)手機與電(diàn)動車中。

02

打造科技成果産業化樣本(běn)

其後(hòu)，魏飛團隊又制備出世界上長的單根碳納米管和(hé)拉伸強度達到到80GPa以(yǐ)上的超長(zhǎng)碳納米管管束。

在國家重點研發計劃“納米科技”重點專項的支持下，2018年，魏飛團(tuán)隊與同為清(qīng)華教授的李喜德團隊合(hé)作研(yán)究，在碳納米管纖維領域取得突破，在世界(jiè)上首次報道了接(jiē)近單根碳納米管理論(lùn)強度的超長碳納米管管束的制(zhì)備。

2007年前後，魏飛(fēi)及團隊與杜邦、GE合作，成功進行了百公斤級(jí)的工業試驗樣品測試(shì)。也正因如此，他們吸引了海外風投的注意力(lì)。

“當時美國研究碳納米管的團(tuán)隊、企(qǐ)業很多，市場的熱鬧程度不亞于前幾年中國的石(shí)墨烯市場，但那家風(fēng)投能從(cóng)幾百家團隊中找到我，說明我們還是(shì)靠譜的。”魏飛笑着說。

将視線拉回國内，與魏飛團隊一直進行“産學研用”合作的天奈科技可以說是一個科(kē)技成果産業化的成功樣本。

“由學校原創、研發(fā)，結合(hé)國内市場本土優(yōu)勢，用企(qǐ)業的經營方式把原創概念做成穩定量産的産品(pǐn)，然(rán)後通過這(zhè)個産品(pǐn)改變(biàn)中國在锂電池、動力電池的地位，我認為這是一個很有借鑒和代表性的案例。”魏(wèi)飛對其團(tuán)隊與天奈科技就碳納米管導電漿料的合作總結道。

魏(wèi)飛表示，在高端材料領域中國以前隻能是做一個産業股東，先當小弟弟，但天奈(nài)科技的成功改變了他(tā)對“高端材料一定要依賴國外大公司或投(tóu)資(zī)才能生存”的看法(fǎ)。

從這個案例中，魏飛得出一個結論(lùn)：國内某些新興産業發展的時(shí)候，研發者要能夠結合行業的痛點，要注意本土的優勢，這是很重要的“天時(shí)地利人和”。

03

産業前瞻性技術亟待突破

魏飛及團隊在超長碳納米管的(de)研究工作展示(shì)出了制造纖維的光明前景，為發展新型(xíng)纖維指明了方向。這有助(zhù)于改進(jìn)目前具(jù)有一定生(shēng)産規模的材料，同時也為材料的大(dà)量制備奠定基(jī)礎，未來有望在大飛(fēi)機、大型運(yùn)載火箭、超級建築等多個領域大顯身(shēn)手。

從2000年(nián)涉足碳納米管(guǎn)至今，魏飛已在這個行業深耕20年，他見證了行業的發展、壯大(dà)，并(bìng)時刻(kè)為其存在的問題擔憂。

在魏飛看來，國内碳納(nà)米管行業在專利(lì)的數(shù)量上(shàng)遠超國外，但大部(bù)分産品的性能、穩定性(xìng)比不(bú)上國外大公司生産的産品(pǐn)。再者，專利保護環境差，抄襲問題嚴重。

“概括來說(shuō)就是專利很多，但在(zài)核心領域的專利不如歐美強國，帶(dài)來的社會效益遠(yuǎn)遠不可相比。”魏飛(fēi)總結道，雖然碳納(nà)米管材料屬于戰(zhàn)略性新興材料，但國家層面并未出(chū)台相關的産業發展戰略性規(guī)劃。“國内一堆人湧上去(qù)做，但這種行為更(gèng)多的是市場的、短期(qī)的行為，覺得能賺到錢，所以大(dà)家都往這個方向靠(kào)，一旦冷下(xià)來則無(wú)人問津，缺乏長遠有規劃的研發。”

而在産品(pǐn)安全(quán)性的提前規避方面，國内更是一片空白。

魏飛對《大國之(zhī)材》表示，我國前期(qī)在高技術産品對人與社會的安全性是目前我們遇到的新問題(tí)，相關的研究及與(yǔ)社會的互動非常缺乏，而(ér)中國的産業化進程又十分迅(xùn)速，很(hěn)多問題沒有提前研究與布局做規(guī)避和公開說明，國際上關(guān)于納米材料安全性的讨論(lùn)熱度不斷，但(dàn)這隻是一個很廣泛(fàn)的概念，目前碳納米管在國内外的使(shǐ)用非常廣泛(fàn)，這更(gèng)應該(gāi)由一個具有(yǒu)公信力的部門牽(qiān)頭對安全性、合規性做一些調研及說明。

進(jìn)一步來說(shuō)，碳納米管市場之(zhī)所以還在野蠻發展階段，也(yě)是國家需求(qiú)不足、高端市場牽引(yǐn)不夠。對于追(zhuī)求科技創新和性能突破的産品來說，其(qí)發展可能與當前市場需求是不(bú)匹配的，但作(zuò)為國家戰略制高點，還是必須得有(yǒu)人去做。

“國家要在材料上強(qiáng)大，還有相當長的路(lù)要走，産業界和教育界(jiè)應(yīng)該相通，要讓青(qīng)少年就明白産業(yè)界的東西是什麼(me)。”魏飛着重強調，未來要更加看重對青少年的培養，因為隻有訓練一批有科研報國、産業報國理想的人才(cái)，我們國家的(de)科技力(lì)量才會更加強大，下(xià)一代材(cái)料才(cái)有可能(néng)被印上“中國标簽”。

【個(gè)人介紹】

魏飛，1984畢業于石(shí)油大學煉制系有機化工專業，1990年獲石油大學有機化工博士學位。清華大學化學工程系教授，綠色反應工程與(yǔ)工藝北京市重點實驗室主任。中國顆粒學會能(néng)源顆粒材料專業委員會主任，發表論文600餘篇，SCI他引4萬餘次，是湯(tāng)森路透近四年材料領域高(gāo)被引科學(xué)家之一(yī)，也(yě)是Elsevier化(huà)工高(gāo)被引學者。獲教育部“長江學者(zhě)”特聘教授、國家傑出青年基金(jīn)等。

目前已成功(gōng)實現氣固下行床催化裂(liè)化、納米聚團床批量(liàng)生産碳(tàn)納米管(guǎn)、高速湍動床甲(jiǎ)醇制芳烴、苯胺、氯乙烯(xī)、丙烯腈、間苯二腈等30台(tái)新概念反應器産業化，研究成果獲國家科技進步二等獎（2002年、2008年）、中石(shí)化科技進(jìn)步一等獎、教育(yù)部自然科學(xué)、技術發明一等獎。