Сверхпрочные, ультралегкие и термостойкие нанотрубки… Но речь здесь вовсе не о давно известных материалах из углерода, как можно подумать. У них есть более интересные аналоги.

Крылатый осел

Сложно поверить, но век назад металлические самолеты вызывали недоверие, страх и смех. Воздухоплаватели с трудом отвыкали от этажерок из фанеры. Первый планер, целиком изготовленный из металла, появился в Германии в годы Первой мировой. Офицеры презрительно называли его «жестяным ослом» и «водосточной трубой»: слишком уж он был тяжеловесен и неповоротлив.

Судьбоносным стало решение авиаконструктора Хуго Юнкерса перейти на легкий и прочнейший по тогдашним меркам сплав дюралюминий, открытый незадолго до того. В итоге Второй рейх обзавелся настоящими летающими танками. Война завершилась поражением Германии, но немецкая авиационная промышленность совершила невиданный прорыв.

Рис. 1. В Boeing-787 Dreamliner летает небольшое количество нанотрубок.

В наши дни сплавы алюминия используют в космической и авиационной индустрии повсеместно. Доля алюминия составляет от 2/3 до 3/4 массы пассажирских самолетов и от 1/20 до 1/2 массы ракет. Однако вопрос, как снизить вес воздушного судна, не потеряв в надежности конструкции, по-прежнему остается актуальным.

Поэтому у алюминия отвоевывают позиции другие материалы. Например, новейший Boeing 787 Dreamliner на 15% состоит из титана и более чем наполовину – из композитов на основе углеволокна. Есть в его обшивке и детали с примесью нанотрубок – протяженных цилиндрических структур, состоящих из одной или нескольких свернутых в трубу плоскостей, геометрически похожих на пчелиные соты.

Но смогут ли нанотехнологии обеспечить будущее авиации?

Трубки не хрупки

Рынок нанотрубок из углерода составляет сотни миллионов долларов (прогноз на 2016 год – 3 миллиарда), ежегодный объем производства – несколько тысяч тонн. Для увеличения прочности ими насыщают композиты. Введение нанотрубок резко повышает качество бетона. Из нанотрубок, созданных в американском Кембридже, уже делают сверхпрочные волокна для бронежилетов, но для усиления прочности металлов (например, того же алюминия) их применяют весьма ограниченно. В чем тут дело? Только ли в цене – в общем-то, немалой? Или есть и другие причины?

«Идеальная (в смысле без дефектов, как, например, идеальный кристалл. – Ред.) нанотрубка ни в какие реакции вступать не должна. Однако ее торцы и дефекты поверхности могут быть химически активны, – рассказывает Сергей Перфилов, заведующий отделом Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке. – Основная проблема получения композиционных материалов для системы алюминий–углерод заключается в том, что при температуре 300–350°С образуется карбид алюминия (Al₄С₃). Он тверд, но химически нестоек, легко разлагается во влажной атмосфере. Материал, содержащий большое количество карбида алюминия, со временем просто рассыпается».

Иными словами, алюминиевые материалы с углеродными нанотрубками при эксплуатации в экстремальных условиях попросту опасны. Однако есть и хорошая новость. Можно сделать нанотрубки из другого материала – нитрида бора (BN). Сейчас они малоизвестны, но могут стать популярными лет через 10. И дело не в механических свойствах: у нанотрубок из углерода эти свойства столь же незаурядны (и нитридборные, и углеродные нанотрубки в 30 раз прочнее, чем лучшие в этом отношении стали и титановые сплавы. – Ред.).

Рис. 2. Всем знакомая нанотрубка.

«В системе алюминий–бор–азот (например, в композитах алюминия с нанотрубками из нитрида бора. – Ред.) возможно образование нитридов и боридов алюминия, – продолжает Перфилов, – однако при более высоких температурах. Но главное в том, что это безопасные, устойчивые, твердые, прочные соединения. В этом плане нитридборные нанотрубки куда лучше углеродных. Однако реальность всегда сложнее наших умозаключений, так что окончательный ответ можно дать только с результатами экспериментов на руках».

Таким образом, хотя пока до конца не ясно, насколько нанотрубки вообще годятся для усиления сплавов, которые должны работать в экстремальных условиях,

материалы из нитрида бора кажутся в этом смысле более надежными.

Чем еще отличаются эти трубки от углеродных? Например, отношением к электричеству.

С нитридборными трубками все просто – это стопроцентный диэлектрик. Насыщенные ими полиэтиленовые пленки – изоляторы с высокой теплопроводностью. Поэтому их можно использовать, скажем, для отвода тепла от процессоров в компьютерах, чтобы защитить их от перегрева.

С углеродными сложнее. Ответ на вопрос, проводят ли углеродные трубки электрический ток, не всегда однозначный. Нанотрубка представляет собой полый цилиндр со стенками из шестиугольников-сот. В случае углерода от ориентации этих сот зависит, будет ли трубка проводником или полупроводником. Как правило, эти два вида трубок после синтеза перемешаны. Как легко и надежно отделять их друг от друга, ученые пока не придумали.

Есть и другие различия. Углеродные трубки видимый свет поглощают, а нитридборные – рассеивают, так что ими можно смело армировать (то есть укреплять) прозрачные материалы. Скажем, добавка одного весового процента BN-нанотрубок увеличивает прочность полистирола на треть, никак не влияя на прозрачность.

Все это более чем прекрасно, но до индустриального применения трубок из нитрида бора еще далеко – 10, а то и 15 лет. Пока что они сравнимы по стоимости с золотом и платиной. Впрочем, когда-то так обстояли дела и с нанотрубками из углерода, но за два десятка лет их себестоимость упала в 100 раз: раньше один грамм стоил тысячи долларов, сейчас – десятки.

Мегагрант и наноцветы

В скором времени нанотрубки из нитрида бора и других редких веществ будут производить и в России. Лаборатория по изучению и синтезу неорганических наноматериалов недавно открылась в НИТУ «МИСиС».

Основная часть коллектива – семь сотрудников. Руководит ими Дмитрий Гольберг, один из ведущих нанотехнологов мира, директор Центра нанотрубок Национального японского института материаловедения и профессор Университета Цукубы.

В течение двух лет оснащение лаборатории будет идти на средства мегагранта Минобрнауки РФ в размере 150 миллионов рублей.

Речь ученого пестрит замысловатыми терминами, но изящна и легка, словно предмет его изысканий – ажурные нанотрубки. В науке он ценит прежде всего артистизм:

«Микроскопия сродни живописи. Снимки наноцветов из сульфида цинка (наноцветы из сульфида цинка, полученные Дмитрием Гольбергом, изображены на обложке журнала Applied Physics Letters. – Ред.) приносят мне даже больше удовлетворения, чем естественнонаучные результаты. Я еще в школьные годы очень любил рисовать, лепить. Была дилемма: пойти в художественный вуз или в технический. В итоге выбрал МИСиС. Повлияли родители: и мать, и отец там учились, свадьбу сыграли вскоре после защиты диплома».

Трубочки фабричные

Цукуба, где исследует нанотрубки из нитрида бора и преподает профессор Гольберг, – городок в 50 километрах от Токио, территория фундаментальной и прикладной науки. Здесь расположены разнообразные исследовательские институты промышленных технологий и сельского хозяйства, а также космический центр. Из 200 тысяч жителей 7 тысяч – специалисты из-за рубежа. Даже большая часть постдоков и аспирантов Дмитрия Гольберга – китайцы и индийцы. Японцы после защиты магистерского диплома предпочитают уходить не в науку, а в бизнес.

В одной из лабораторий института в Цукубе расположена небольшая фабрика c девятью печами, выпускающая нанотрубки. В ней работают не только студенты, но и инженеры из японских фирм, проявляющих интерес к нанотехнологиям.

Самый необычный среди изготовленных в лаборатории предметов – мельчайший в мире термометр диаметром 80 нанометров, попавший в Книгу рекордов Гиннеса. Принцип его работы точно такой, как у обычного градусника, только в роли ртути выступает жидкий галлий, скользящий по нанотрубке.

Подобное изобретение – не просто курьез: специалисты «Тойоты» уже использовали его для измерения нагрева внутренних деталей топливных элементов.

Объем производства нитридборных трубок в Цукубе – около грамма в день. Нитрид бора – материал синтетический, в природе не встречается. Получают его следующим образом. Смесь порошков оксида магния, оксида железа и бора за доли минуты нагревается в индукционной печи до 1500°С. Образуется оксид бора. Он вступает в реакцию с аммиаком, и на выходе получаются нитрид бора и вода – никаких вредных газов и примесей, вполне себе «зеленое» производство.

В МИСиС будут функционировать две печки: вертикальная индукционная для производства нанотрубок и горизонтальная электрическая для синтеза соединений, аналогичных графену, но состоящих не из углерода, а из нитрида бора и сульфидов молибдена и вольфрама. Ближайшая цель – создать образцы материалов, представляющих интерес для промышленности.

Делать предсказания пока рано, но есть шанс, что когда-нибудь помимо двух гигантских труб – нефтяной и газовой – бюджет России станут пополнять и трубки нанометрового размера.

Материал опубликован в журнале New Scientist № 7–8 (19), июль-август 2012.

Автор: Огнёв Алексей.