科幻作品中，出现过太空电梯的身影——不需要火箭，只要坐上电梯，人们就可以直达太空。
太空电梯的原理是这样的：将一根极长的缆绳，一端固定在赤道地面，另一端连接位于地球同步轨道的空间站，再在更远处设置配重。地球自转时，缆绳受向上的离心力与向下的重力共同作用而绷紧，电梯厢便可沿缆绳往返天地间。
早在1895年，就有科学家提出建造直达太空的“天梯”。这一设想提出已逾百年，似乎仍停留在想象阶段，原因何在？问题的关键，在于找到足够强韧的缆绳材料。
太空电梯缆绳必须同时承受巨大的重力和离心力作用，对材料的抗拉强度要求极高。有没有既轻又强的“超级材料”呢？1991年，科学家发现了碳纳米管，这给太空电梯研究带来了曙光。
碳纳米管是由碳原子按六边形蜂窝状结构排列而成的中空管状材料，直径只有几纳米到几十纳米。别看身形纤细，它是人类发现的力学性能最优的材料之一：理论上，单壁碳纳米管的抗拉强度可超过100吉帕，是最好钢材的数百倍；其杨氏模量（衡量材料刚性的指标）高达1太帕，极难被拉伸变形。更难得的是，其密度仅为钢的1/4左右，单位质量的强度很高。
为了让碳纳米管早日从实验室走向太空，中国科学家一直在探索。清华大学化学工程系反应工程团队长期从事碳纳米管材料的可控制备与应用研究，努力攻坚材料难题。
首先是突破长度极限。实际制备中，碳纳米管长度通常只有几十微米，且内部存在大量结构缺陷，实际强度远低于理论值。2013年，研究团队通过提高催化剂活性概率，成功制备出单根长度超过半米的碳纳米管，为超长碳纳米管的规模化制备奠定了基础。
研究团队还探索组装“超强”纤维。单根碳纳米管再强，也无法直接用作缆绳，需要把千千万万根碳纳米管“拧”成一股宏观纤维。2018年，清华大学化工系与航院团队在《自然·纳米技术》发表论文称，采用气流聚焦法，制备出厘米级超长碳纳米管管束，拉伸强度达到80吉帕以上。
太空电梯缆绳需承受反复拉伸，需要“百折不断”。2020年，研究团队在《科学》杂志发表论文，首次通过实验测试了单根碳纳米管的抗疲劳性能，发现碳纳米管可被连续拉伸上亿次而不发生断裂，去掉载荷后仍能保持初始的超高强度。
尽管碳纳米管研究取得了长足进展，但距离真正建造太空电梯仍有相当距离。
规模化制备是挑战，实验室目前能制备的超长碳纳米管长度在半米至米级，而太空电梯缆绳需要达到数万公里；太空环境是考验，缆绳需要穿越地球大气层，要经受风雨雷电，还要在太空中抵御高能宇宙射线和原子氧腐蚀。
除了缆绳，太空电梯还涉及基座建设、电梯厢动力系统等复杂工程问题。这些都需要跨学科协作解决。
太空电梯还只是停留在科幻电影里，但碳纳米管的发现和研究进展，让这个设想具备了坚实的材料基础。从实验室到应用的道路漫长而艰辛，但科学探索的魅力正在于此——每一次突破都是对未知的叩问，每一步前进都在拓展人类能力的边界。也许在不远的将来，太空电梯将成为人类迈向星辰大海的真正天梯。
（作者为清华大学化学工程系教授，本报记者吴月整理）
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