淺議從“系統工程”角度看納米材料科學的應用之路

供稿|趙婷婷，楊瑤

內容導讀

近20年來納米材料科學的蓬勃發展以碳納米管和石墨烯的研究為典型代表。如何將納米材料在微觀尺度的優異性能在宏觀尺度進行良好表達，得到性能優異的商業化產品？這也給科技工作者帶來極大的困惑。納米材料科學在發展初期受“自下而上”方法論的影響，極大地促進了納米材料科學的發展，然而其局限性限制了納米材料的應用之路，“系統工程”的思想應運而生，為解決納米材料的應用這一難題提供了新的方法論。從“系統工程”的角度來看，在微觀尺度上性能優異的納米材料，若要在宏觀尺度取得相應優異的性能，實現商業化應用以造福人類，首先納米材料的應用需要借助于多級結構，其次在納米材料的應用研究中應以研究體系中各個組分之間的相互關系為側重點。按照“系統工程”的思想，對納米材料的研究應該側重于根據宏觀材料的需求，研究出最優化的結構單元組裝方式，最大限度地發揮每種結構單元的優點，最終實現體系的效益最大化。

美國著名理論物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者費曼在其題為“在底部還有很大空間”的演講中指出：“如果我們能從更小的尺度對物質進行排布控制，則在宏觀尺度我們將收獲極多可能的性質以及不同的應用”[1]。這次演講被看作為納米科學以及材料科學的發展提供了方法論，即若要獲得材料在宏觀尺度的優異性質，需要從微觀尺度開始進行“自下而上”的結構設計。遵循這一思路，科學家們試圖在微觀尺度上制備結構與性能近乎完美的納米材料，以期在宏觀尺度得到性能優異的材料。納米材料科學的蓬勃發展以碳納米管和石墨烯為典型代表。圍繞這兩種材料的研究是過去近20年納米材料科學的主題，并且這種趨勢在未來幾年內還將持續。

盡管納米材料科學的發展已經取得了巨大的成就，然而目前還沒有基于納米材料的成熟商業化產品面世。納米材料除了引起科學家的極大興趣，對普通民眾的影響卻十分有限。這也給科技工作者帶來極大的困惑。如何將納米材料在微觀尺度的優異性能在宏觀尺度進行良好表達，得到性能優異的商業化產品？大部分科學家致力于從技術角度去解決面臨的問題，但是對納米材料研究采用的方法論是否合理關注不足。如果從“系統工程”的角度看納米材料科學在發展中遇到的問題，就能很清晰看到費曼提出的“自下而上”方法論的局限性，從而為實現納米材料的應用提供新的方向[2-4]。

“自下而上”方法論在納米材料科學發展中的局限性

圖1顯示了3種典型納米材料相關的SCI論文發表數量隨年份的變化關系。從圖中可以看出，近年來僅與碳納米管相關的SCI論文數量就達到了每年1萬篇以上，而且其發表數量仍處于飛速上升階段。其原因在于這些材料在納米尺度具有近乎完美的性質。

圖1 三種典型納米材料相關的SCI論文數量與年份關系[5]

以碳納米管為例，其結構示意圖以及透射電鏡照片如圖2所示。碳納米管可以看作由石墨烯層沿著一定的矢量方向卷曲閉合形成的管狀結構。按照石墨烯片的層數，碳納米管可以分為單壁、雙壁以及多壁碳納米管。碳納米管中的碳原子之間通過sp2雜化形成的σ鍵構成，而σ鍵是自然界中最強的化學鍵。因此，碳納米管在其軸向具有極強的力學性質。理論計算表明，結構完美的碳納米管楊氏模量達到1012Pa、斷裂強度可達到105Pa，遠高于目前常用的高強度纖維材料。其次，在電學性能方面，金屬性的碳納米管具有比石墨更高的導電率；在熱學性質方面，碳納米管具有極高的導熱率，在常溫下其導熱系數為目前導熱率最高的材料金剛石的3倍以上；在化學性能方面，碳納米管本身是一種具有化學惰性的材料，而通過對碳納米管進行一定的化學修飾或者催化劑負載能夠使其具有化學活性[8-10]?？偠灾?，碳納米管在各個方面都表現出非常優良的性能，在各個領域均具有非常良好的應用前景。

圖2 (a) 碳納米管結構示意圖；(b～d) 分別為單壁碳納米管、雙壁碳納米管以及多壁碳納米管的TEM圖[6-7]

盡管關于碳納米管的基礎研究取得了非常大的成就，發表了大量的成果，但是碳納米管的應用之路卻走的相當艱辛。目前，市面上成熟的碳納米管商業化產品鳳毛麟角。之所以會造成這種局面，可能與其研究的方法論有關系。碳納米管應用的一個重要方面是作為增強材料，結合碳納米管在增強領域應用的路線圖進行說明，如圖3所示。

圖3是一種典型的“自下而上”的研究思路。碳納米管應用的第一階段是如何制備出結構完美的碳納米管以及大規模制備。在這一階段系統的復雜性相對較低，因此，大部分與碳納米管相關的研究均集中在這一階段，也取得了非常出色的研究成果，此時，“自下而上”這種方法論的可靠性相對較大。在第二階段，當碳納米管與材料進行復合時，由于有新物質的引入，系統的復雜性上升。此時，系統要面臨的問題是如何實現碳納米管在基體中的良好分散，以及碳納米管與基體之間的較強的相互作用力。在此基礎上，能否實現這種復合材料的大規模制備也是一個巨大挑戰。在這一階段相關的研究工作仍然較多，然而進展卻十分緩慢，且大部分研究工作側重解決這其中的某一問題，如分散、相容性、大規模制備等，常常會出現顧此失彼的狀況，“自下而上”的研究思路的弊端便開始顯露。在第三階段需要考慮材料制備工藝的可靠性與經濟性、與其他產品相比的競爭性、環境安全等因素使得系統的復雜性極大增加，出現的問題也越來越難以駕馭與平衡，這也是造成碳納米管無法商業化應用的主要原因。

圖3 碳納米管在復合材料增強領域應用的“自下而上”路線圖

綜上所述，按照“自下而上”方法論從細節出發解決宏觀以及整體問題固然有其合理性，然而若將整體問題分割成一個個單獨的細節問題會忽視細節問題之間的相關性，以致在還原為整體問題時會出現偏離以及失真。其次，任何事物都有其兩面性。在微觀尺度的優點與缺點，隨著環境的不同以及條件的改變，在宏觀尺度上能有截然不同的體現。這一問題在材料科學領域尤為突出，比如在微觀上將納米材料的性能做到了極致，而在宏觀上材料的性能仍與期待值相差甚遠。材料要實現某一功能，涉及不同結構單元的性能、不同結構單元之間的組織方式以及不同尺度下結構單元的性能表達。因此“系統工程”思想將是一種更合理的方法論。

自然界中“系統工程”思想在材料領域的體現

“系統工程”思想運用的典范當屬自然界。在生態系統中，各個物體相互依存、相互聯系，形成一個運行良好、相對穩定的復雜體系。大自然能夠化腐朽為神奇，將微觀上力學性質很差的物質通過一定的結構形式聯系起來，組裝成宏觀上力學性質非常出色的材料。如科學家常常驚訝于貝殼類結構所具有的高強度，貝殼類結構是由95%以上的硬碳酸鈣與少量的蛋白質構成，而在通常意義上，碳酸鈣以及蛋白質都是非常軟的物質[11-12]。這其中就蘊含著“系統工程”的思想，其路線圖如圖4所示。

圖4 貝殼類結構中蘊含的“系統工程”思想

同樣是用作力學增強材料，貝殼類結構中基本的結構單元為碳酸鈣與蛋白質，就微觀結構單元而言，這兩種材料都不如碳納米管的結構與性能完美，然而將這兩種材料按一定比例進行復配能夠使貝殼類結構具有高達幾百兆帕的拉伸強度，而純碳納米管宏觀體材料要實現這一點并不容易；更重要的是，這種材料具有的經濟性、可修復性以及環境友好性等是普通的納米材料所無法比擬的。從圖4中可以看出，運用“系統工程”的思想進行材料制備，隨著系統的復雜性增大，系統的可靠性越大。類似的例子在大自然界中隨處可見，如壁虎爪子神奇的吸附能力、荷葉的疏水性等[13]。這些功能的實現往往依賴于多級結構，其本質在于將不同結構單元有機結合產生協同效應，這體現了“系統工程”思想中強化事物之間彼此聯系的概念。

研究基本的學術問題一般需要提供一個非常干凈純粹的體系，排除其他干擾因素的影響。此時系統的復雜程度相對較低，這時將一個復雜的問題進行分解是一種非常有效的方法。相比而言，材料科學是連接基礎科學與實際應用的橋梁，需要考慮的因素包括社會化大生產、環境安全等因素，因此系統的復雜性相對較大，此時就需要效仿自然，利用“系統工程”的思想進行結構設計。

運用“系統工程”的思想指導納米材料的應用之路

在“自下而上”方法論的指導下，納米材料在微觀尺度的研究已經取得輝煌的成就。然而若要推動納米材料走向應用之路則需要運用“系統工程”的思想。從“系統工程”的角度來看，納米材料這種在微觀尺度上性能優異的材料，若要在宏觀尺度取得相應優異的性能，實現商業化應用以造福人類，需要從以下兩方面努力。

首先，納米材料的應用需要借助于多級結構。這里所指的多級結構，一方面是指在應用時體系中應該引入其他的材料；另一方面，不同的材料應當具有一定的組織關系以及結構模型。在目前的研究中，仍有一部分研究者期望一蹴而就，由單一納米材料構成宏觀體以實現應用。例如：由碳納米管做出宏觀尺度上的膜、能夠通向月球的繩子等[14-15]，這可以被看作是科學家在美學上的一種追求，太過于理想化。在實際情況下，任何材料都有其兩面性，某一方面的優勢往往伴隨著另一方面的劣勢。這就意味著在實際情況下，單一納米材料無法應對復雜性系統，只有協同不同的結構單元，結合不同類型的材料，材料之間相互取長補短，才能更好地實現納米材料的應用。

其次，在納米材料的應用研究中，體系中各個組分之間的相互關系應為研究的側重點?！跋到y工程”思想的核心在于從整體出發，研究系統內各個結構單元之間的相互關系對系統的影響。自然界已經向我們展示了如何通過巧妙的組合關系，將性能較差的結構單元組裝成性能優異的宏觀材料。目前對納米材料的研究側重于追求微觀結構上的完美，從“系統工程”的角度看，這種做法會給系統帶來額外困難。此外，在與其他結構單元進行組合時，需要有針對性地體現某一功能而弱化另一功能。因此，按照“系統工程”的思想，對納米材料的研究應該側重于根據宏觀材料的需求，研究出最優化的結構單元組裝方式，最大限度地發揮每種結構單元的優點，最終實現體系的效益最大化。

結束語

納米材料科學長久以來一直沿用“自下而上”的方法論，這一方法論在納米材料的發展初期由于系統的復雜性較低，能夠很好的促進納米科學的發展。然而在納米材料的實際應用方面，需要綜合權衡各方面因素，系統的復雜性將大大提高，此時“系統工 程”的思想能夠為解決納米材料的應用難題提供新思路。