杨氏模量 (Young’s Modulus) 是描述固体抵抗形变能力的物理量。自两个世纪前英国物理学家托马斯·杨 (Thomas Young) 提出这个概念以来，杨氏模量为衡量材料刚度提供了基本度量。轻质、超高模量材料在军事及民用领域具有关键应用场景。随着金刚石 (杨氏模量 ~1150 GPa, 比模量约 ~290 GPa.g^-1.cm³, sp³杂化碳材料)、石墨烯 (杨氏模量 ~1000 GPa, 比模量 ~450 GPa.g^-1.cm³, sp²杂化碳材料) 等高模量材料的发现与制备，当前材料杨氏模量发展遇到瓶颈。

近期武汉大学土木建筑工程学院力学系高恩来副研究员课题组设计了一种具有限域增强稳定性与超常力学性能 (其中杨氏模量高达1505 GPa) 的碳管封装碳链纤维。这项研究提出了制造轻质超高模量碳纤维的新思路，拓展了对材料杨氏模量边界的认知。相关工作以《预测碳管封装碳链纤维的限域增强稳定性与超常力学性能》 (Predicted Confinement-Enhanced Stability and Extraordinary Mechanical Properties for Carbon Nanotube Wrapped Chains of Linear Carbon) 为题发表于国际著名期刊 ACS Nano, (IF = 14.588)。

源于独特的键合结构，线性碳链具有超常力学性能。然而，由于sp¹杂化导致体系能量较高易于化学反应，线性碳链的宏量组装与利用是世界性难题。作为对比，sp²杂化的碳管具有优良的机械与化学稳定性。这项研究提出了利用碳管封装碳链的纤维结构设计。首先基于能量原理，确定了不同管径碳管可以封装的最优线性碳链数目。研究发现碳链束在限域空间交联反应的动力学和热力学能垒相对于自由空间大幅升高，碳链之间的拓扑反应被明显抑制，表现出限域增强稳定性。进一步，本工作发展了碳管封装碳链纤维的结构与性能关联力学模型。该力学模型与大规模原子模拟共同表明碳管封装碳链纤维具有超常力学性能 (杨氏模量高达1505 GPa, 比模量 ~977 GPa.g^-1.cm³, 抗拉强度高达110 GPa, 密度仅为1.54 g/cm³)，其中杨氏模量和比模量大幅超越包括金刚石在内的已知块体材料。轻质、高模量、高强度的特性使碳管封装碳链纤维具有广阔的应用前景，如抗弯纳米针尖、复合材料增强与太空天梯缆绳 (图1)。研究最后分析了多种制造碳管封装碳链纤维的方法。

图1. 轻质高模量高强度纤维的应用场景：太空天梯缆绳。

该工作得到了中国国家自然科学基金委与美国威奥切基金会 (The Robert A. Welch Foundation) 的资助，其中的计算模拟工作在武汉大学超级计算中心完成。武汉大学为第一署名单位，高恩来副研究员为第一及共同通讯作者，共同作者还包括我校土建学院力学系2017级本科生李蕤杉与美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray Baughman教授。高恩来博士2018年起在武汉大学土木建筑工程学院力学系工作，任副研究员，研究兴趣为超常力学性能晶体设计制造、组装与应用。基于相关研究成果，近年来在Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2018,115: 248)、Science (2019, 365: 150; 2019, 366: 216)、Nature Communications (2019, 10: 2446)、ACS Nano (2020) 、NPJ Computational Materials (2020, 6: 13; 2020, 6: 27) 等发表学术论文四十余篇，被引千余次。李蕤杉2018年加入课题组开展科研探索，相关研究成果在Extreme Mechanics Letters (2020, 第一作者), ACS Nano (2020, 第二作者) 等发表学术论文多篇。

论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c06602