Уникальные по своей прочности и теплостойкости нити из графитовых нанотрубок, заполненных парафином, созданы известным материаловедом Рэем Бэкменом, являющимся иностранным членом Российской академии естественных наук (РАЕН).

Ученые Техасского университета в Далласе продолжают работу над созданием искусственных наномышц. Проектом руководит Рэй Бэкмен, известный специалист в области материаловедения (70 патентов в США, 310 научных публикаций с количеством цитирований более 18 000), иностранный член РАЕН и, как говорится на его сайте, лауреат медали имени Капицы этой академии.

В работе под руководством Бэкмена также участвуют специалисты из Австралии, Китая, Южной Кореи, Канады, Бразилии и Украины. Три года назад «Газета.Ru» рассказывала о разработке Бэкмена и его коллег — материале для искусственных мышц, способном одинаково хорошо работать в жидком азоте и расплавленном железе.

Та разработка представляла собой более жёсткую, чем сталь, и более эластичную, чем резина, ленту из многостенных углеродных нанотрубок; лента способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, хорошо проводит ток и превосходно работает в диапазоне температур от минус 200 до плюс 1600 градусов по Цельсию.

Теперь Бэкмену и коллегам удалось создать непосредственно сами искусственные мышцы.

Для этого они опять-таки использовали углеродные нанотрубки, скрутив их в одну большую нить (мышцу). При этом нанотрубки ученые не оставили полыми, а поместили в них парафин.

Рис. 1. Углеродная нанотрубка // University of Texas at Dallas.

Сами нанотрубки состоят из графита — такого, как если бы его взяли из обычного карандаша. Графит является одной из аллотропных (аллотропия — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам) модификаций углерода и под микроскопом выглядит как очень плоский слоеный торт. Слоистость обеспечивает материалу достаточную пластичность, чтобы его структура не была повреждена при свертывании в спираль. Парафин, которым заполнили полости нанотрубок, ничем не отличается от свечного.

Размер получившейся мышцы достаточно компактен: ее диаметр составляет 20—200 нм (2—20•10^-8 м), что в тысячу—десять тысяч раз меньше диаметра обычного человеческого волоса (100 мкм = 10^-4 м).

При этом по прочности нить-мышца превосходит сталь приблизительно в сто раз.

Примечательно, что целиком нить являет собой цельную структуру, без швов и разрезов, так что порезаться о нее очень легко.

«Разработанные нами искусственные мышцы способны производить сверхбыстрые сокращения и позволяют поднимать вес, в 200 раз превышающий тот, который могли бы поднять естественные, — говорит Рэй Бэкмен. — Несмотря на то что спектр применения искусственных мышц достаточно широк, пересадить их человеку пока невозможно».

Полученные мышцы оказались способны поднимать вес в сотни тысяч раз больше собственного, не теряя при этом эластичности.

Механическая энергия, вырабатываемая в ходе сокращений, превышает человеческую в 85 раз. То есть робот с подобными мышцами мог бы заменить небольшой подъемный кран.

В работе, опубликованной в пятницу в журнале Science, рассказано о создании такой мышцы и исследовании ее свойств. В ходе исследования ученые закрепили неподвижно один конец мышцы, на другой повесили микрогирю и подвергли нить нагреву с помощью лазера. Графит обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет быстро нагревать парафин внутри нанотрубок. В процессе нагрева парафин начинает расширяться. За счет давления парафина углеродная трубка увеличивается в объеме, но ее длина при этом уменьшается — происходит сокращение. Этот процесс занимает приблизительно 0,025 секунды. Плотность энергии сокращения такой нити составляет около 4,2 кВт/кг, что в четыре раза больше отношения мощности к весу двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 2. Закрученная наномышцы Рэя Бэкмена // Science/AAAS.

«Когда мы нагревали светом или током такую нить, то наблюдали, как она начинает вращаться и раскручиваться. При охлаждении нитей вращение прекращается. Скорость вращения достигает 11 500 оборотов в минуту и более чем 2 миллиона возобновляемых циклов раскрутки.

Крутящий момент мышцы получается больше, чем у электромотора», — рассказал руководитель проекта.

В ближайших перспективах эту разработку Техасского технологического университета планируется использовать для создания роботов, микроскопических моторов и клапанов. Также планируется применение в области хирургии — для создания инвазивных катетеров при различного рода операциях. Бэкмен рассчитывает, что разработка будет успешной не только для применения в научных целях, но и в индустрии детских игрушек.

Поскольку нановолокна достаточно эластичны и могут быть спрядены в нити, у ученых возникла идея создания одежды, реагирующей на условия внешней среды.

Например, возможно создать скафандр, защищающий от внешних температурных или химических воздействий.

В зависимости от температуры или наличия тех или иных отравляющих веществ в воздухе парафин внутри нанотрубок меняет свой объем, регулируя тем самым проницаемость скафандра.

Впрочем оказалось, что мышцы из нанотрубок и без парафина внутри них представляют собой интересный материал. Ученые смотали такую мышцу в катушку и начали нагрев.

Оказалось, что

коэффициент теплового расширения увеличился в десять раз, но остался при этом все равно отрицательным.

Авторами работы сделан вывод, что если нагревать катушку в инертной атмосфере от 50 до 2500 градусов Цельсия, то работоспособность ткани обеспечивается более чем на 7%. То есть такой материал можно использовать при температурах порядка 1000—1500 градусов, что близко к температуре плавления стали.

По словам Бэкмена, ресурсы университета позволяют изготовить километр полотна — в данный момент ученые Техасского университета в Далласе настроены на скорейшую коммерциализацию проекта.