浅议从“系统工程”角度看纳米材料科学的应用之路

供稿|赵婷婷，杨瑶

内容导读

近20年来纳米材料科学的蓬勃发展以碳纳米管和石墨烯的研究为典型代表。如何将纳米材料在微观尺度的优异性能在宏观尺度进行良好表达，得到性能优异的商业化产品？这也给科技工作者带来极大的困惑。纳米材料科学在发展初期受“自下而上”方法论的影响，极大地促进了纳米材料科学的发展，然而其局限性限制了纳米材料的应用之路，“系统工程”的思想应运而生，为解决纳米材料的应用这一难题提供了新的方法论。从“系统工程”的角度来看，在微观尺度上性能优异的纳米材料，若要在宏观尺度取得相应优异的性能，实现商业化应用以造福人类，首先纳米材料的应用需要借助于多级结构，其次在纳米材料的应用研究中应以研究体系中各个组分之间的相互关系为侧重点。按照“系统工程”的思想，对纳米材料的研究应该侧重于根据宏观材料的需求，研究出最优化的结构单元组装方式，最大限度地发挥每种结构单元的优点，最终实现体系的效益最大化。

美国著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者费曼在其题为“在底部还有很大空间”的演讲中指出：“如果我们能从更小的尺度对物质进行排布控制，则在宏观尺度我们将收获极多可能的性质以及不同的应用”[1]。这次演讲被看作为纳米科学以及材料科学的发展提供了方法论，即若要获得材料在宏观尺度的优异性质，需要从微观尺度开始进行“自下而上”的结构设计。遵循这一思路，科学家们试图在微观尺度上制备结构与性能近乎完美的纳米材料，以期在宏观尺度得到性能优异的材料。纳米材料科学的蓬勃发展以碳纳米管和石墨烯为典型代表。围绕这两种材料的研究是过去近20年纳米材料科学的主题，并且这种趋势在未来几年内还将持续。

尽管纳米材料科学的发展已经取得了巨大的成就，然而目前还没有基于纳米材料的成熟商业化产品面世。纳米材料除了引起科学家的极大兴趣，对普通民众的影响却十分有限。这也给科技工作者带来极大的困惑。如何将纳米材料在微观尺度的优异性能在宏观尺度进行良好表达，得到性能优异的商业化产品？大部分科学家致力于从技术角度去解决面临的问题，但是对纳米材料研究采用的方法论是否合理关注不足。如果从“系统工程”的角度看纳米材料科学在发展中遇到的问题，就能很清晰看到费曼提出的“自下而上”方法论的局限性，从而为实现纳米材料的应用提供新的方向[2-4]。

“自下而上”方法论在纳米材料科学发展中的局限性

图1显示了3种典型纳米材料相关的SCI论文发表数量随年份的变化关系。从图中可以看出，近年来仅与碳纳米管相关的SCI论文数量就达到了每年1万篇以上，而且其发表数量仍处于飞速上升阶段。其原因在于这些材料在纳米尺度具有近乎完美的性质。

图1 三种典型纳米材料相关的SCI论文数量与年份关系[5]

以碳纳米管为例，其结构示意图以及透射电镜照片如图2所示。碳纳米管可以看作由石墨烯层沿着一定的矢量方向卷曲闭合形成的管状结构。按照石墨烯片的层数，碳纳米管可以分为单壁、双壁以及多壁碳纳米管。碳纳米管中的碳原子之间通过sp2杂化形成的σ键构成，而σ键是自然界中最强的化学键。因此，碳纳米管在其轴向具有极强的力学性质。理论计算表明，结构完美的碳纳米管杨氏模量达到1012Pa、断裂强度可达到105Pa，远高于目前常用的高强度纤维材料。其次，在电学性能方面，金属性的碳纳米管具有比石墨更高的导电率；在热学性质方面，碳纳米管具有极高的导热率，在常温下其导热系数为目前导热率最高的材料金刚石的3倍以上；在化学性能方面，碳纳米管本身是一种具有化学惰性的材料，而通过对碳纳米管进行一定的化学修饰或者催化剂负载能够使其具有化学活性[8-10]。总而言之，碳纳米管在各个方面都表现出非常优良的性能，在各个领域均具有非常良好的应用前景。

图2 (a) 碳纳米管结构示意图；(b～d) 分别为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管以及多壁碳纳米管的TEM图[6-7]

尽管关于碳纳米管的基础研究取得了非常大的成就，发表了大量的成果，但是碳纳米管的应用之路却走的相当艰辛。目前，市面上成熟的碳纳米管商业化产品凤毛麟角。之所以会造成这种局面，可能与其研究的方法论有关系。碳纳米管应用的一个重要方面是作为增强材料，结合碳纳米管在增强领域应用的路线图进行说明，如图3所示。

图3是一种典型的“自下而上”的研究思路。碳纳米管应用的第一阶段是如何制备出结构完美的碳纳米管以及大规模制备。在这一阶段系统的复杂性相对较低，因此，大部分与碳纳米管相关的研究均集中在这一阶段，也取得了非常出色的研究成果，此时，“自下而上”这种方法论的可靠性相对较大。在第二阶段，当碳纳米管与材料进行复合时，由于有新物质的引入，系统的复杂性上升。此时，系统要面临的问题是如何实现碳纳米管在基体中的良好分散，以及碳纳米管与基体之间的较强的相互作用力。在此基础上，能否实现这种复合材料的大规模制备也是一个巨大挑战。在这一阶段相关的研究工作仍然较多，然而进展却十分缓慢，且大部分研究工作侧重解决这其中的某一问题，如分散、相容性、大规模制备等，常常会出现顾此失彼的状况，“自下而上”的研究思路的弊端便开始显露。在第三阶段需要考虑材料制备工艺的可靠性与经济性、与其他产品相比的竞争性、环境安全等因素使得系统的复杂性极大增加，出现的问题也越来越难以驾驭与平衡，这也是造成碳纳米管无法商业化应用的主要原因。

图3 碳纳米管在复合材料增强领域应用的“自下而上”路线图

综上所述，按照“自下而上”方法论从细节出发解决宏观以及整体问题固然有其合理性，然而若将整体问题分割成一个个单独的细节问题会忽视细节问题之间的相关性，以致在还原为整体问题时会出现偏离以及失真。其次，任何事物都有其两面性。在微观尺度的优点与缺点，随着环境的不同以及条件的改变，在宏观尺度上能有截然不同的体现。这一问题在材料科学领域尤为突出，比如在微观上将纳米材料的性能做到了极致，而在宏观上材料的性能仍与期待值相差甚远。材料要实现某一功能，涉及不同结构单元的性能、不同结构单元之间的组织方式以及不同尺度下结构单元的性能表达。因此“系统工程”思想将是一种更合理的方法论。

自然界中“系统工程”思想在材料领域的体现

“系统工程”思想运用的典范当属自然界。在生态系统中，各个物体相互依存、相互联系，形成一个运行良好、相对稳定的复杂体系。大自然能够化腐朽为神奇，将微观上力学性质很差的物质通过一定的结构形式联系起来，组装成宏观上力学性质非常出色的材料。如科学家常常惊讶于贝壳类结构所具有的高强度，贝壳类结构是由95%以上的硬碳酸钙与少量的蛋白质构成，而在通常意义上，碳酸钙以及蛋白质都是非常软的物质[11-12]。这其中就蕴含着“系统工程”的思想，其路线图如图4所示。

图4 贝壳类结构中蕴含的“系统工程”思想

同样是用作力学增强材料，贝壳类结构中基本的结构单元为碳酸钙与蛋白质，就微观结构单元而言，这两种材料都不如碳纳米管的结构与性能完美，然而将这两种材料按一定比例进行复配能够使贝壳类结构具有高达几百兆帕的拉伸强度，而纯碳纳米管宏观体材料要实现这一点并不容易；更重要的是，这种材料具有的经济性、可修复性以及环境友好性等是普通的纳米材料所无法比拟的。从图4中可以看出，运用“系统工程”的思想进行材料制备，随着系统的复杂性增大，系统的可靠性越大。类似的例子在大自然界中随处可见，如壁虎爪子神奇的吸附能力、荷叶的疏水性等[13]。这些功能的实现往往依赖于多级结构，其本质在于将不同结构单元有机结合产生协同效应，这体现了“系统工程”思想中强化事物之间彼此联系的概念。

研究基本的学术问题一般需要提供一个非常干净纯粹的体系，排除其他干扰因素的影响。此时系统的复杂程度相对较低，这时将一个复杂的问题进行分解是一种非常有效的方法。相比而言，材料科学是连接基础科学与实际应用的桥梁，需要考虑的因素包括社会化大生产、环境安全等因素，因此系统的复杂性相对较大，此时就需要效仿自然，利用“系统工程”的思想进行结构设计。

运用“系统工程”的思想指导纳米材料的应用之路

在“自下而上”方法论的指导下，纳米材料在微观尺度的研究已经取得辉煌的成就。然而若要推动纳米材料走向应用之路则需要运用“系统工程”的思想。从“系统工程”的角度来看，纳米材料这种在微观尺度上性能优异的材料，若要在宏观尺度取得相应优异的性能，实现商业化应用以造福人类，需要从以下两方面努力。

首先，纳米材料的应用需要借助于多级结构。这里所指的多级结构，一方面是指在应用时体系中应该引入其他的材料；另一方面，不同的材料应当具有一定的组织关系以及结构模型。在目前的研究中，仍有一部分研究者期望一蹴而就，由单一纳米材料构成宏观体以实现应用。例如：由碳纳米管做出宏观尺度上的膜、能够通向月球的绳子等[14-15]，这可以被看作是科学家在美学上的一种追求，太过于理想化。在实际情况下，任何材料都有其两面性，某一方面的优势往往伴随着另一方面的劣势。这就意味着在实际情况下，单一纳米材料无法应对复杂性系统，只有协同不同的结构单元，结合不同类型的材料，材料之间相互取长补短，才能更好地实现纳米材料的应用。

其次，在纳米材料的应用研究中，体系中各个组分之间的相互关系应为研究的侧重点。“系统工程”思想的核心在于从整体出发，研究系统内各个结构单元之间的相互关系对系统的影响。自然界已经向我们展示了如何通过巧妙的组合关系，将性能较差的结构单元组装成性能优异的宏观材料。目前对纳米材料的研究侧重于追求微观结构上的完美，从“系统工程”的角度看，这种做法会给系统带来额外困难。此外，在与其他结构单元进行组合时，需要有针对性地体现某一功能而弱化另一功能。因此，按照“系统工程”的思想，对纳米材料的研究应该侧重于根据宏观材料的需求，研究出最优化的结构单元组装方式，最大限度地发挥每种结构单元的优点，最终实现体系的效益最大化。

结束语

纳米材料科学长久以来一直沿用“自下而上”的方法论，这一方法论在纳米材料的发展初期由于系统的复杂性较低，能够很好的促进纳米科学的发展。然而在纳米材料的实际应用方面，需要综合权衡各方面因素，系统的复杂性将大大提高，此时“系统工 程”的思想能够为解决纳米材料的应用难题提供新思路。