Китайские ученые создали уникальный сухой клей на основе углеродных нанотрубок. Прочность сцепления в нем растет с увеличением температуры благодаря механизму соединения нанотрубчатых волосков и склеиваемых поверхностей. О разработке сообщает статья в журнале Nature Communications.

В зависимости от сферы приложения к разным видам клея предъявляются различные требования — от умеренной прочности и удобства использования в бытовых условиях, до экстремального сцепления и устойчивости в условиях высоких/низких температур при решении задач промышленного масштаба. Однако большинство известных сегодня видов клея претерпевают структурные изменения и теряют эффективность при эксплуатации в условиях повышенной температуры.

Сложенные столбы вертикально выровненных углеродных нанотрубок, вид сбоку. ZEISS Microscopy

По словам авторов новой работы, склеивающие материалы на основе углеродных нанотрубок являются перспективными, поскольку такие материалы термически устойчивы и обладают хорошей электро- и температуропроводностью. Они работают по принципу лапок геккона — множество волосков за счет вандерваальсовых сил взаимодействия надежно сцепляются с поверхностью «насухо», причем нанотрубчатое соединение прочнее липучек геккона в десять раз. Однако до сих пор клей на основе углеродных нанотрубок не был широко распространен на практике из-за сложности подбора их оптимальной структуры.

В своей работе ученые создали двустенные углеродные нанотрубки оптимальной вертикально выровненной структуры: нанотрубки выращивали на специальной каталитической подложке из алюминия и железа, обдувая в процессе смесью газа. Далее верхний слой клея обрабатывали кислородной плазмой, что приводило к созданию большого количества узлов-липучек. Для измерения сдвиговой прочности исследователи изготовили «сандвич» из двух пластинок меди с нанотрубчатым клеем в виде начинки. Затем они подвергли «сандвич» нагреву с помощью горелки, исследуя структурные изменения материала с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии рамановского рассеяния.

Образование «липких» волосков клея на основе нанотрубок: обработка плазмой приводит к образованию дополнительных центров сцепления. Ming Xu et al., Nature Communications, 2016

Рекордные значения сдвиговой прочности сцепления оказались обусловлены механизмом нанопереплетения: узлы-липучки, образовавшиеся после обработки плазмой, ввинчиваются в неровности поверхности, а повышение прочности при увеличении температуры происходит за счет термической стабилизации ямок на поверхности. При нагревании от 196 до 1000 градусов Цельсия прочность соединения увеличилась примерно в 6,2 раза и достигла одного из самых высоких значений, известных для клея на основе нанотрубок — 143 ньютона на квадратный сантиметр. Материал также обладает высокой (и увеличивающейся с ростом температуры) температуро- ((1–2,5)*10^-10 квадратных метров в секунду) и электропроводностью (10⁵–10⁶ сименс на метр), таким образом нанотрубчатый клей имеет потенциал для широкого применения в качестве электро- и температуропроводящего двустороннего скотча.

Вдохновение для создания «идеального» клея ученые черпают не только у представителей животного мира. Растение вьющийся плющ  (Hedera helix) славится надежным сцеплением с поверхностью опоры, на которой он произрастает. Не так давно ученые раскрыли механизм его работы и научились воспроизводить растительный суперклей.

Автор: Екатерина Жданова