美国研发超细超坚固纳米线：太空电梯有望成真

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美国科学家研发出超细超坚固的纳米线，能够让打造太空电梯的梦想成为现实，进而让实现飞天梦想就像坐电梯一样简单。这种纳米线由长而细的碳原子链构成，碳原子的排列方式与钻石内部结构相同。

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　　北京时间9月29日消息，据国外媒体报道，美国科学家研发出超细超坚固的纳米线，能够让打造太空电梯的梦想成为现实，进而让实现飞天梦想就像坐电梯一样简单。这种纳米线由长而细的碳原子链构成，碳原子的排列方式与钻石内部结构相同。此项研究由宾夕法尼亚州立大学的化学教授约翰-巴丁进行，研究发现刊登在《自然-材料》杂志上。

　　酷似微型钻石项链

　　巴丁教授表示：“从基础科学的角度上说，我们的研究无疑非常引人注目，因为我们研发的纳米线拥有此前我们从未见过的结构。”巴丁的研究小组研发的纳米线由长而细的碳原子链构成，碳原子的排列方式与钻石结构相同。钻石结构的主要特征为6个碳原子构成的Z字形环己烷，每个原子被其他原子环绕，形成坚固的四面体三棱锥形。

　　巴丁教授指出：“我们研发的纳米线就像是一个不可思议的珠宝，一个由尺寸最小的钻石串成的微型项链。由于钻石是这种线的核心，我们有理由认为它们拥有异乎寻常的硬度和坚固度，同时也拥有巨大的应用价值。对于我们研发的纳米材料，我们的其中一个最疯狂的梦想就是用于制造超级坚固的轻型绳索，让打造太空电梯的梦想成为现实。迄今为止，太空电梯一直只存在于科学作品中。”

　　100年来，科学家一直在实验室进行研究，试图将含有原子的单个分子——例如液态苯——压缩成有序的钻石型纳米材料。巴丁等人的研究成果意味着这个有着100年的梦想终成现实。研究论文合著者、卡内基科学研究所的马尔科姆-格思里指出：“我们利用橡树岭国家实验室的大型高压巴黎-爱丁堡装置压缩宽度0.2英寸（约合6毫米）的苯。与此前的实验相比，这一数量可谓巨大。根据我们的发现，在室温条件下进行大幅压缩之后缓慢释放压力能够赋予碳原子所需要的时间，进行相互作用和形成高度有序的单行碳四面体链，进而形成钻石核心的纳米线。”

　　巴丁指出这种纳米线的宽度“小的异乎寻常，只有区区几个原子”，是光纤的几十万分之一。光纤的直径远不及人类的头发。不过，他们研发的钻石纳米线并不完美，巴丁的研究小组将继续进行研究，改进钻石纳米线。

　　可以向大教堂取经

　　1895年，俄国科学家康斯坦丁-齐奥尔科夫斯基首次提出太空电梯的想法，用于将人类送上太空。他提议建造一个无需依靠支撑物的通天塔，从地面直插对地静止轨道。1975年，美国科学家杰罗姆-皮尔森设计了一个采用绳索的系统。在对地静止轨道，绳索的直径最大，因为这一区域的应力最大。他建议使用一个延伸到8.9万英里（约合14.4万公里）外的配重，几乎是地月距离的一半。

　　1979年，也就是在阿瑟-克拉克的小说《天堂喷泉》问世之后，太空电梯的想法进一步成为主流。最近，工程师皮特-德伯尼提出一项理论，认为可以借鉴大教堂控制重心的方式，即顶部采用逐渐变尖细的设计。直到现在，可用于制造太空电梯所需绳索的材料仍屈指可数。这种材料必须足够坚固或者能够大量生产，可用于制造足够长的绳索。

　　从哥特式大教堂到摩天楼再到太空电梯，在建造任何高层建筑时，坚固度和平衡重心都是两大关键。对于人类来说，人体的重心在胃部周围，重心距地面越高，保持平衡的难度越大，反之更容易保持平衡。同样的原理也适用于高层和超高层建筑。通过建造坚固并且深入地下深处的地基，重心便可降低。

　　奥雅纳工程公司结构工程师德伯尼在接受英国媒体采访时表示：“我们在地球表面感受到的重力是两个因素的结果。第一个是我们与地核之间的距离，也就是地球的重心。其次，由于地球并非完美球体，地球的旋转导致赤道地区的物质更多，两极地区的物质更少。这也就意味着赤道半径超过极地，导致赤道地区的重力最小，南北两极的重力最大。”

　　面临结构损伤风险

　　德伯尼解释说由于地球一直在旋转，地球上的一切事物都承受离心力，赤道地区的离心力最大，极点为零。他说：“这两种影响结合在一起，赤道地区的重力加速度最小，极地地区的重力加速度最大。如果地球旋转产生的离心力抵消地心引力产生的影响，建造一座超高层建筑时将会发生什么呢？第一个影响是地心引力会随着你与重心间距离的加大减少，第二个影响是离心力增加。在某一个点，离心力能够完全抵消重力。如果你站在赤道上，你的海拔高度需要达到近1.8万公里，才能产生这种影响。这一高度通常被称之为‘地球同步轨道’。如果你在赤道上空的这一高度部署一颗卫星并赋予它正确的速度，这颗卫星将每24小时环绕地球一周并且始终处在地球上空一个固定的点。”

　　德伯尼指出解决之道是将卫星部署到地球同步轨道并且使用一条绳索与地面相连。随着绳索的延伸，卫星的重心会发生变化。如果将卫星部署到一条较低的轨道，会导致卫星相对于地面发生移动。为了将整个系统保持在轨道内，德伯尼建议添加一条同样不断延伸的绳索，保持系统平衡。由于这种方式构成一个非线性系统，绳索需要延伸近两倍的长度。另一种解决方案是使用处在地球同步轨道之外的一个配重，例如大小合适的小行星，保持绳索的平衡同时减少长度。制造绳索使用的材料必须足够坚固才能支撑如此重的负载，例如石墨烯或者碳纳米管。巴丁教授研制的钻石纳米线能够做到这一点。

　　石墨烯的断裂长度达到3568公里，但由于这一长度建立在重心恒定的情况下，因此在重力较小的高度，石墨烯的断裂长度会提高。德伯尼指出太空电梯使用的绳索需要呈逐渐变细的带状，就像金字塔或者大教堂的尖塔一样。金字塔和大教堂尖塔的顶部逐渐变尖细，太空电梯的绳索则需要在地下逐渐变尖细，用于有效支撑重量。德伯尼说：“早期提出的太空电梯设想并不延伸到地面，而是从低地球轨道延伸到高地球轨道。电梯两端环绕不同高度的轨道运转，所产生的潮汐力帮助保持整个系统的稳定。与高地球轨道相比，环绕低地球轨道的一端角速度较大。有趣的是，虽然高轨道的角速度较小，但切向速度较大。这也就意味着如果你希望减慢环绕地球的速度，你需要加快速度。”

　　太空轨道面临一系列可导致结构损伤的风险，例如太空碎片和微陨星。德伯尼指出带状绳索的宽度能够将撞击造成的危险将至最低。此外，绳索坠落的风险也较低，因为带状设计可以收紧并且拥有很大的空气阻力。任何从这一高度坠落的绳索都会在抵达地面前燃烧殆尽。研究发现绳索上部经受的甩鞭效应可能导致它们发生折断，将它们置于轨道中，便于以后回收。2012年，东京公司株式会社大林组宣布一项计划，将在2050年之前建造一个可以使用的太空电梯。　　　　为了实现打造太空电梯的梦想，结构工程师皮特-德伯尼提议将卫星部署到地球同步轨道并且使用一条绳索与地面相连，同时借助配重平衡整个系统。但德伯尼指出当前材料的坚固程度无法满足制造这种绳索的需求。现在，巴丁教授研制出能够做到这一点的纳米线　　　　巴丁教授指出：“我们研发的纳米线就像是一个不可思议的珠宝，一个由尺寸最小的钻石串成的微型项链。由于钻石是这种线的核心，我们有理由认为它们拥有异乎寻常的硬度和坚固度，同时也拥有巨大的应用价值。”　　　　包括摩天楼和哥特式大教堂在内的任何高层建筑在设计上均尽可能降低重心，以便保持整个结构的稳定。这幅图片展示了一座建筑及其地下结构。在设计上，它的地基很深，采用金属桩和混凝土筏板，起到稳固作用　　　　2012年，东京公司株式会社大林组宣布一项计划，将在2050年之前建造一个可以使用的太空电梯。在设计上，大林组的太空电梯采用德伯尼提议的类似技术　　　　浮标采用的设计与哥特式大教堂类似。浮标的高度越高，所需的配重越坚固，以便让浮标保持漂浮状态。无论是浮标还是教堂的尖塔都采用逐渐变尖细的设计，以减少底部承受的重量，同时让重量均匀分布和减少风阻　　　　西雅图的“太空针”。由于太空电梯形成的重量分布，绳索需要起到降低重心的作用，就像“太空针”的设计一样。