Современные нанокомпозитные материалы, синтезированные из различных комбинаций наночастиц и материалов для матриц, отличаются заметно возросшей прочностью, термостабильностью и электропроводностью.

Благодаря уникальным свойствам и универсальности углерода, наноматериалы на его основе все больше и больше используются в различных инженерных и медицинских приложениях. Например, углеродные наночастицы, распределенные в матричных материалах типа эпоксидной смолы, полиуретана, резины, цемента, льда придают уникальные электрические и магнитные характеристики материалу матрицы, открывая ряд новых и интересных прложений. Если такие материалы подвергаются напряжениям, изменения в электрическом сопротивлении (пьезорезистивность) и магнитных свойствах (пьезомагнетизм) проявляются в высокой степени. В электролитных средах под воздействием приложенного напряжения такие материалы расширяются в объеме.

Многие группы исследователей, специалистов в смежных дисциплинах, разрабатывают углеродные материалы для коммерциализации их в таких продуктах, как наносимые напылением непрерывные сенсоры для структурного мониторинга здоровья пациента; «умные» чувствительные нанокомпозиты; усиленные ламинированные наноструктуры, устойчивые к разрезанию; электропроводные волокна из углеродных нанотрубок. Здесь приведен обзор результатов разработок различных наноматериалов и изготовления прототипов изделий для широкого спектра приложений. Обзор также опубликован в трудах SPIE (G. Maheshwari, N. Mallik, J. Abot, A. Song, E. Head, M. Dadhania, V. Shanov, C. Jayasinghe, P. Salunke, L. Lee, D. Hurd, Y. Yun, S. Yarmolenko, J. Sankar, P. Phillips, R. A. Komoroski, W.-J. Chu, A. Bhattacharya, N. Watts, M. J. Schulz, Nanoscale materials for engineering and medicine, Proc. SPIE 6931, 2008. doi:10.1117/12.782591)

Углеродные нановолокна (УНВ) – это многостенные цилиндрические волокна, имеющие высокое содержание графенов. УНВ- дешевые волокна с диаметрами в диапазоне 70–200 нм и длиной до нескольких сотен микрон (см. рис.1a). Стенки волокон, как правило, имеют наклон к оси волокна и образуют зигзагообразную поверхность (УНВ часто образованы слоями различной формы). Удивительно, что очень небольшое количество УНВ, введенное в полимерную матрицу, может существенно улучшить механические свойства основного материала и изменить такие свойства, как электропроводность, пьезорезистивность, электромагнитное экранирование, характеристики поглощения и рассеяния теплоты. В частности, например, многообещающие наножидкости на основе воды проходят всестороннюю оценку для применения их в системах теплообмена. Стоимость высококачественного УНВ- материала, известного, как PR-25, невысока и имеет порядок 125 долларов США за фунт. Более того эти УНВ- материалы хорошо испытаны и описаны, их производство достигает нескольких тонн в год, что делает их идеальными для использования в целом блоке приложений.

Рис.1. Наноматериалы для инженерных и медицинских приложений: а). углеродное нановолокно (УНВ)- производство Applied Sciences Inc., b). Цепочки углеродных наносфер (ЦУНС)- производство Clean Technologies Inc., c). Блок углеродных нанотрубок (УНТ) длиной 11 мм – производство University of Cincinnati (Университет Цинциннати)

Цепочки углеродных наносфер (ЦУНС)- это новый наноструктурированный материал со сферической морфологией Рис.1b. ЦУНС имеют высокую электропроводность и некоторые магнитные свойства, получаемые послеобработкой. ЦУНС- уникальны, поскольку это единственные, из исследованных, углеродные наночастицы, обладающие высокой электропроводностью и слабыми магнитными характеристиками. Послеобработка может помочь приспособить эти свойства для применений в умных полимерных нанокомпозитах и магнитных материалах. Различные материалы, созданные с использованием ЦУНС, приведены на рис.2. Список включает в себя магнитную капсулу (пилюлю), изготовленную методами обработки материалов под высоким давлением и структурированную нанокожу, которая имеет хорошую электропроводность на одной поверхности и является изолятором на другой. ЦУНС могут быть произведены в больших объемах при достаточно умеренной ожидаемой стоимости.

Рис.2. «Умные нанокомпозиты с ЦУНС: a). Магнитная капсула; b). Поливиниловая структурированная нанокожа; c). Нанокожа на основе эпоксидной смолы

Углеродные нанотрубки (УНТ), произведенные методом химического вакуумного напыления, могут быть соединены в блоки для формирования структур диаметром в единицы нанометров, но длиной от нескольких микрон до 1,8 см (смотри рис. 1с). УНТ, выращенные в виде массива или «леса», называют Черным Хлопком (название запатентовано). Этот материал является многообещающим для разработки уникальных датчиков механических напряжений, исполнительных устройств, биосенсоров, нанокомпозитов для многофункциональных приложений. Будучи изготовленными в виде длинной пленки, УНТ могут функционировать как длинные распределенные датчики (см. рис 3). Например, структурная система датчиков (ССД) может быть изготовлена путем нанесения пульверизатором определенной сетки раствора, содержащего наночастицы. Электрохимический импеданс (сопротивление и емкость) такой ССД может изменяться вследствие разрушения структуры, в которой такой «нерв» находится. В таком виде ССД могут быть использованы для раннего обнаружения микротрещин в мостах, задолго до начала необратимых разрушений, что позволит предупредить коллапс сооружения. ССД на настоящий момент времени довольно дороги, сдерживая применение, но стоимость будет уменьшаться как только производство начнет расти.

Рис.3. ССД распределенные датчики, нанесенные спреером

Другой вид уникальных приложений углеродных наноматериалов также использует структуру и свойства блоков УНТ. Например, некоторые материалы склонны к растрескиванию вдоль интерламинарных плоскостей. Для решения этой проблемы были разработаны новые материалы- многослойные (ламинированные) наноусиленные композиты (МНК) – рис.4. МНК- материалы состоят из нескольких слоев текстильной микрофибры в полимерной матрице, где усиление материала прозводится путем внедрения в матрицу многостенных УНТ-сердечников, расположенных поперек слоев ткани и между ними. Помимо повышения прочности на сдвиг, УНТ-внедрения изменяют электропроводность материала. Электроды могут быть напылены на поверхность ламината, и электрический импеданс материала может быть измерен и отслежен по всей толщине; в случае растрескивания или расслоения, импеданс меняется, что легко регистриуется. МНК являются необыкновенно чувствительными и многофункциональными материалами с повышенной прочностью на сдвиг и жесткостью, что тоже используется для регистрации повреждений.

Рис.4. Многослойные (ламинированные) наноусиленные композиты (МНК): блоки углеродных нанотрубок присоединены к ленте и размещены на складках тканого углеродного композита для усиления многослойного материала; углеродные нанотрубки связаны с углеродной тканью

Универсальность и возможности наноматериалов быстро расширяются, только сейчас, по прошествии многих лет исследований и прогнозов, инженеры начинают понимать их возможный потенциал. Другими многофункциональными материалами, находящимися в разработке, являются нити и полосы (листы) из УНТ (см. рис.5). Такие виды материалов из углеродных нанотрубок могут быть использованы для изготовления умных тканей с множеством уникальных свойств, включая усиленные тканевые композиты (для использования в элементах униформы солдат, пожарников, специалистов первой помощи), материалы, экранирующие радиационное излучение, датчики состояния и пр. Далее, в силу присущей УНТ прочности и инертности, в разработке находится несколько медицинских применений таких материалов, которые включают в себя нано электроды на основе УНТ, которые могут проникать в живую клетку и быть использованными как крошечные биосенсоры; конструкции типа строительных лесов из нанотрубок для фиксации нейронов в надежде дальнейшего восстановления повреждений центральной нервной системы.

Рис.5. a). Оптическое изображение катушки нитей из УНТ и изображение высококачественной нити, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа; b). Ленту из углеродных нанотрубок длиной более 1 м отрывают от блока УНТ

Чем дальше мы исследуем и применяем уникальные свойства различных нанокомпозитов, тем большие возможности они открывают, включая другие уникальные, но пока неизвестные приложения.