Углеродные нанотрубки (УНТ) называют чудо-материалом 21 века. УНТ – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Однако, в то время как исследователи разрабатывают все новые применения УНТ в диапазоне от наноэлектроники до наномедицины и даже защитной брони для военных применений, практические характеристики УНТ оказываются значительно ниже тех, что предсказывают теоретические разработки.

Страница для УНТ в Википедии приводит обзор механических характеристик углеродных нанотрубок и показывает разницу между теоретическими предсказаниями и экспериментальными величинами. Например, квантово-механические расчеты предсказывают, что у одностенных УНТ, не имеющих дефектов, прочность на растяжение превышает 100 Гпа, что соответствует возможности кабеля с сечением 1 кв. мм удержать вес более 10 тонн. На практике величина измеренной прочности на растяжение УНТ оказывается много меньше – всего 28 Гпа. Проблема здесь лежит не столько в реальной величине параметра, а скорее всего в сути механических испытаний, применявшихся до сих пор. Очень трудно изготовить образцы для испытаний, не повредив при этом трубки (что, естественно, влияет на механические параметры). Другой проблемой является практическая сложность в отображении теста с высоким разрешением, достаточным для того, чтобы определить точную природу трещины.

Группа американских ученых, возглавляемая профессором Горацио Эспиноса (Professor Horacio Espinosa) c факультета Машиноведения Университета Northwestern (Эванстон, Иллинойс), провела эксперименты, результаты которых полностью соответствуют теоретическим предсказаниям. Экспериментаторы сумели решить существующие проблемы и провести работы с практически идеальными нанотрубками, определив их геометрию при разрушении с высокой точностью и достоверностью. Результаты измерений отличаются осмысленностью и негромоздкостью.

Профессор Горацио Данте Эспиноса

Результаты опубликованы в интернет издании Nature Nanotechnology (Measurements of near-ultimate strength for multiwalled carbon nanotubes and irradiation-induced crosslinking improvements от 10 августа с.г. в соавторстве со студентами-выпускниками Northwestern и с коллегами из двух известных лабораторий. Это первые экспериментальные результаты, хорошо коррелирующие с теорией.

Многие из предыдущих исследований в данной области были рассчетными, однако, рассчетные модели нанотрубок никогда прямо не соответствовали практическим экспериментам. В данном случае, впервые проведен прямой эксперимент и измерены пределы разрушения для многостенных УНТ, результаты которого близки квантово-механическим вычислениям, что и является наиболее ценным результатом работы. Определены экспериментальные величины модуля Юнга, разрушающее напряжение и деформация разрушения, которые оказались равными 1 Тпа, 100 Гпа и 11%, соответственно для одиночной ячейки УНТ. По-видимому, это первый последовательный результат измерения механических параметров нанотрубок.

Изображение неповрежденной многостенной углеродной нанотрубки, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа

В дополнение, исследователи испытали влияние облучения на прочностные характеристики УНТ. Предполагалось, что облучение должно спсобствовать деградации атомной структуры материала, но эксперименты показали обратное. Группа проф. Эспиносы продемонстрировала зависимость увеличения допустимой нагрузки от увеличивающейся дозы облучения пучком электронов. Этот результат очень важен для всех, работающих в данной области, поскольку позволяет регулировать механические свойства УНТ для различных приложений.

Идея упрочнения облучением обсуждалась уже в продолжение нескольких лет. Для того, чтобы провести эксперименты и установить зависимость свойств от облучения было необходимо прежде всего поставить чистый первичный эксперимент по определению механических и прочностных свойств одиночной ячейки УНТ. Имея эти результаты, ученые смогли изолировать действие облучения и поставить эксперименты с достоверными результатами. В лаборатории были разработаны соответствующие методики и инструменты для разрешения существующих проблем для измерения на уровне наноразмеров, что, в свою очередь, поможет разработать новые устройства наноразмеров и наноматериалы и предложить их на рынке.

Одной из наиболее важных задач группы проф. Эспиноса является разработка большого количества материала, состоящего из УНТ и обладающего всеми свойствами, зафиксированными для одиночных нанотрубок. Нанотрубки невероятно прочны при сравнении с традиционными материалами, однако слишком малы, чтобы быть полезными в большом количестве случаев. Поэтому актуальной является работа по созданию материала, состоящего из множества объединенных УНТ и пригодного для изготовления длинных волокон и канатов, которые, могут быть использованы в традиционной промышленности, например, в строительных материалах, персональной броне, спортивном оборудовании и т.п. Такая работа, в свою очередь, может привести к разработке целого класса новых материалов.

Помимо задач по применению нанотрубок, по-прежнему актуальными являются экспериментальные работы по их характеризации. В частности, очень интересными являются электрические и термические свойства УНТ, что может открыть новые горизонты в микроэлектронике. Исследование свойств УНТ и создание материалов на их основе являются активной зоной научных исследований, которая охватывает также проблемы их измерения, управления и диспергирования УНТ в других материалах. Эксперименты в области УНТ, в свою очередь, вносят свой огромный вклад в развитие области измерительных приборов для контроля нанообъектов.

Дополнительная информация

Автор – Евгений Биргер