昆士蘭科技大學(xué)（QUT）材料科學(xué)中心的科學(xué)家們?cè)凇蹲匀煌ㄓ崱飞习l(fā)表了一篇新的研究論文，提出使用金剛石納米線束（DNT）來提供能量?jī)?chǔ)能能力，這可能會(huì)給機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)工程帶來一場(chǎng)革命。

DNT是一種碳納米結(jié)構(gòu)——一組超薄的一維碳線，當(dāng)它們被扭曲或拉伸時(shí)可以儲(chǔ)能能量。昆士蘭科技大學(xué)的研究員詹海飛博士領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)研究小組，他把納米結(jié)構(gòu)比作一個(gè)壓縮的線圈或兒童的發(fā)條玩具。他說，“當(dāng)扭曲的線圈解開時(shí)，能量可以被釋放出來。”

據(jù)小組分析，其訣竅在于控制產(chǎn)生的能量。如果這種能量可以被穩(wěn)定下來，那么它就可以被用于一系列的應(yīng)用，從生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到納米機(jī)器人，以及機(jī)械能量?jī)?chǔ)能。

詹教授說：“與鋰離子電池等使用電化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存和釋放能量的化學(xué)儲(chǔ)存不同，機(jī)械能系統(tǒng)本身的風(fēng)險(xiǎn)要低得多?！?/p>

機(jī)械能儲(chǔ)存不會(huì)有在極端溫度下發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，也不會(huì)有化學(xué)污染的風(fēng)險(xiǎn)。納米線的穩(wěn)定性和安全性并不讓人驚訝，因?yàn)樗举|(zhì)上是鉆石——我們所知道的最堅(jiān)硬的材料。

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當(dāng)然，鉆石的結(jié)構(gòu)意味著它是非常強(qiáng)大，堅(jiān)硬，輕。有了這些特性的裝備，DNT的潛力只會(huì)受到科幻作家想象力的限制。19世紀(jì)末首次提出的“星際到太空”運(yùn)輸系統(tǒng)的著名構(gòu)想，被吹捧為DNT（禁止追蹤）的一種可能應(yīng)用，同時(shí)被吹捧為更實(shí)際的、更高效的電動(dòng)汽車的構(gòu)想。

在能量密度方面DNT的能量?jī)?chǔ)能潛力是驚人的。按磅計(jì)算，DNT的能量密度——也就是說，它的質(zhì)量能儲(chǔ)存多少能量——為每公斤1．76兆焦耳，比同質(zhì)量的鋼彈簧高出4-5個(gè)數(shù)量級(jí)，是鋰離子電池的三倍。

碳納米管是一種一維納米材料，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。

研究人員認(rèn)為，由于碳納米管（CNT）的高強(qiáng)度、高模量，利用基于碳納米管的纖維作為機(jī)械能儲(chǔ)存介質(zhì)和能量采集器，應(yīng)當(dāng)是可行的，相比電化學(xué)電池（如鋰離子電池）也可以實(shí)現(xiàn)快速有效、更為穩(wěn)定可逆的能量充放電。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這些特性也可能使其成為人造肌肉、軟體機(jī)器人、柔性電子設(shè)備的重要組成部分。

近年來，碳納米管得到了廣泛研究，研究主要關(guān)注碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)（如編織結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)或加捻結(jié)構(gòu)）及其后處理（如液體收縮、滲透、功能化）。

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受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到了制造「高強(qiáng)度金剛石納米線束」的可能性——其表面完全氫化，因而納米線間可引入界面共價(jià)鍵，同時(shí)還可保持線狀形態(tài)和優(yōu)異的機(jī)械性能，并可觸發(fā)納米線間或納米線與聚合物基質(zhì)間的強(qiáng)機(jī)械互鎖效應(yīng)。

研究人員有了一個(gè)想法，但現(xiàn)在他們必須把它付諸行動(dòng)。在未來的兩到三年內(nèi)，QUT團(tuán)隊(duì)計(jì)劃構(gòu)建控制系統(tǒng)，以測(cè)試納米線的扭曲和拉伸。

下圖a展示了兩種不同的金剛石納米線束Achiral和Chiral，Achiral具有對(duì)稱的橫截面和線性形態(tài)，而Chiral則具有初始的螺旋形態(tài)。由于直徑較小，納米線束能夠在任意鍵斷裂前達(dá)到非常高的扭轉(zhuǎn)角，圖中兩個(gè)納米線束的扭轉(zhuǎn)角分別約為25.55rad和17.28rad。兩個(gè)納米線束名稱后的六個(gè)整數(shù)分別表示結(jié)構(gòu)中的鍵合拓?fù)洹?/p>

研究人員利用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法，對(duì)比了兩種金剛石納米線束與（10，10）碳納米管。上圖b、c分別表示兩種金剛石納米線束和（10，10）碳納米管（即圖中的CNT）的能量密度與扭轉(zhuǎn)、張力的關(guān)系。

此外，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同變形狀態(tài)下，三種金剛石納米線束（3、7、19分別表示納米絲的數(shù)量）的能量密度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。其中，紅色、藍(lán)色、橙色、粉色、點(diǎn)線分別代表壓縮、彎曲、張力、扭轉(zhuǎn)和大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)得到的結(jié)果。

通過一系列探究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)金剛石納米線束具有較高的機(jī)械能存儲(chǔ)密度，重力能量密度會(huì)隨線束的數(shù)量變化而降低，其中扭轉(zhuǎn)和張力是主要的影響因素。

此外，金剛石納米線束與（10，10）碳納米管的機(jī)械能儲(chǔ)存容量相似，但金剛石納米線束有其自身的優(yōu)越性——鑒于金剛石納米線束的結(jié)構(gòu)，通過純張力就可實(shí)現(xiàn)其全部的機(jī)械能存儲(chǔ)潛力，即高達(dá)1.76MJkg-1的能量密度，是鋰電池的3倍，因此完全可以用來作為儲(chǔ)能裝置。

同時(shí)值得注意的是，由于研究團(tuán)隊(duì)模擬時(shí)的溫度較低，室溫下金剛石納米線束的儲(chǔ)能能力也有可能被高估了。

不過，金剛石納米線束在機(jī)械能存儲(chǔ)中的突出表現(xiàn)不可否認(rèn)。

就碳納米線束，論文合著者之一HaifeiZhan表示：

這一結(jié)構(gòu)類似于壓縮的線圈或者小孩的發(fā)條玩具。纏繞著的線束散開便可釋放能量。如果設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來控制納米線束釋放的能量，那么對(duì)于許多應(yīng)用而言，這一儲(chǔ)能方案將更為安全、穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用。

HaifeiZhan也主要提到了系統(tǒng)的安全性問題——由于不涉及鋰離子電池所需進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)，因此也就避免了泄漏、爆炸或其他較小的化學(xué)故障的風(fēng)險(xiǎn)：

化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在高溫下可能會(huì)爆炸，在低溫下可能會(huì)失靈。出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)生泄漏，還會(huì)造成化學(xué)污染。但是機(jī)械式儲(chǔ)能系統(tǒng)沒有這些風(fēng)險(xiǎn)，所以更適合于在人體內(nèi)應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)也表示，該系統(tǒng)未來可以用于可穿戴技術(shù)、與心臟和大腦功能相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)工具、機(jī)器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及場(chǎng)發(fā)射、電池、智能紡織品和建筑材料等結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域。，雷鋒網(wǎng)