碳纳米管因集超轻、高强、高导电导热等优异本征性能于一身，成为下一代轻量化导线的理想候选材料。然而，如何将单根碳纳米管的卓越物性转化为宏观纤维的综合性能，是该领域长期面临的核心挑战。当前，千米级连续碳纳米管纤维的导电率已能突破1 MS/m，但与铜等传统金属仍有较大差距。研究表明，通过优化取向和长径比，纯碳纳米管纤维的导电率已接近1-3 MS/m的极限，单纯依靠结构优化已难有突破，引入掺杂剂成为进一步提升性能的关键路径。其中非共价掺杂策略尤为突出。该方法通过电子受体掺杂物与碳纳米管之间发生电荷转移，提升载流子浓度，同时不破坏碳纳米管的共轭结构，从而保留了其极高的载流子迁移率。目前，采用碘、氯化铁、溴、氯磺酸等电子受体的研究已证实，该技术能将纤维导电率提升5.6至10倍。在此基础上，如何开发更高效的掺杂体系以实现导电率的代际跨越，是推动碳纳米管宏观导体走向实用化的关键问题。
二、【创新成果】
基于此，西班牙马德里高等材料研究所J. J. Vilatela教授团队在Science上发表了题为“Intercalated carbon nanotube fibers with high specific electrical conductivity”的论文，报道了一种“插层”技术，通过将强效掺杂物“四氯铝酸根离子（AlCl4–）”有序插入高取向度双壁碳纳米管（DWCNT）纤维的管间通道，使之在纤维内部均匀扩散并形成碳纳米管插层化合物。AlCl4–作为非共价掺杂物，每个离子从碳管外层接收0.65个电子，结合其17%的体积分数，成功将纤维的室温导电率推高至24.5 MS/m，达到铜的41%。材料的比导电率更是高达17345 S·m2/kg，优于铜和铝，意味着同等重量下能承载更多电流。同时，该纤维兼具优异的轻质高强特性，强度为传统架空电缆的五倍，而重量仅为其一半。在稳定性方面，该材料在干燥条件下性能保持如初，经聚合物护套封装防潮后，仍可保留80%的导电率。该研究实现了碳纳米管宏观纤维在导电性、轻量化和强度上的协同突破，是轻量化导电材料领域的重要进展。
三、【图文解析】
图1 AlCl4–插层DWCNT纤维的结构表征 ©2026 AAAS
图2 嵌入小碳纳米管单元的DFT模拟 ©2026 AAAS
图3 插层纤维中的电荷转移和电子结构 ©2026 AAAS
图4 插层纤维的电荷转移、体积电导率和机械性能 ©2026 AAAS
图5 CNTIC在不同相对湿度空气中的稳定性 ©2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，研究人员采用采用气相法，制备了由高度取向的双壁碳纳米管构成的连续纤维，并在碳纳米管之间的间隙通道中均匀插入了AlCl4–四面体构成的超分子链，且未改变管间间距。该插层纤维的化学计量比为C39AlCl4，插层物含量达36.7%的稳定化合物。在相互作用机制上，光谱与理论分析共同证实插层物与碳管间发生了强烈的非共价电荷转移，每碳原子转移0.006 |e|电荷，且主要由外层管贡献，导致费米能级显著下移0.44 eV。正是这种独特的电子结构调控，使得纤维宏观导电率实现高达17.5倍的跃升，平均比导电率（11170 S m2/kg）超越铜，最高值（17345 S m2/kg）也优于铝，同时兼具0.975 GPa/SG的优异比强度，证实了其作为轻量化导体的巨大潜力。最后，本研究证实通过防止插层物因与湿气反应而发生羟基化，可保留其导电性，聚合物电缆护套构成的防潮屏障可保留78%的导电率。本研究通过从原子尺度调控结构实现宏观性能代际跨越的思路，标志着轻量化导电材料领域的重大突破。
原文详情：Intercalated carbon nanotube fibers with high specific electrical conductivity (Science 2026, 392, 395-400)
本文由大兵哥供稿。
