Эта удивительная нанобумага

В журнале «Science» опубликована работа группы учёных из далласского и двух бразильских университетов, в которой описаны способ изготовления и свойства нанобумаги.

Бумагу из нанотрубок ученые под руководством Рея Богмана (Ray H. Baughman) сделали по традиционной технологии, которая используется для изготовления бумаги из целлюлозы (взвесь тонких нитей в воде упаривается до образования черной углеродной бумаги), но целлюлозные волокна заменили углеродными нанотрубками.

Dr. Ray H. Baughman

Исследователи выяснили, что у большинства материалов растяжение приводит к сокращению их размеров в поперечных направлениях, а у листа нанобумаги (которую они окрестили именем buckypaper) все происходит наоборот – ширина увеличивается при продольном вытягивании. При этом бумага из однослойных нанотрубок имеет положительный коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации). Коэффициент Пуассона – отношение относительного поперечного сужения (расширения) к относительному продольному удлинению.

С увеличением доли многослойных нанотрубок происходит резкий переход к отрицательному значению.

В своей работе ученые использовали для объяснения этого эффекта простую механическую модель и аналогию. Нанотрубки имеют зигзагообразную форму и соединяются между собой так, как рейки в сжимаемых решетчатых структурах – в статье авторы для сравнения приводят каркас-шкаф для хранения винных бутылок.

Другой неожиданностью стало то, что композиция из нанотрубок разного типа становится в 2 раза прочнее, чем каждый из материалов по отдельности.

Такие необычные свойства нанотрубок могут использоваться при создании новых конструкционных материалов, различных датчиков, искусственных мускулов. Для приборостроения, например, очень важно разработать материал с нулевым коэффициентом поперечной деформации – для создания высокоточных датчиков линейных и угловых перемещений.

Если из разработанного химиками удивительного материала сделать, к примеру, винные пробки, то штопор для их откупоривания окажется бесполезным: попытки вытянуть пробку лишь ещё сильнее прижимали бы её к бутылочному горлышку.

В результате исследований удалось построить модель, предсказывающую механические свойства нового наноматериала. Модель учитывает легкость растяжения и изгиба волокон и способна количественно показать, почему обычная целлюлозная бумага никогда не меняет знак коэффициента Пуассона с положительного на отрицательный. В недалеком будущем вещества с необходимыми механическими свойствами можно будет делать по заказу.

В природе также есть материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона но их совсем немного – кожа, покрывающая коровье вымя, некоторые виды минералов, живая костная ткань. Понимание важной роли таких материалов в быту пришло лишь в последнее время, и многие синтетические ауксетики были созданы на основе полимерных пленок. Такие материалы применяются как губки, упаковочный материал и даже в бронежилетах. К ауксетикам относится и Gore-Tex, используемый в спортивной обуви.

Но ещё задолго до создания Gore-Tex и даже появления теории упругости люди уже использовали материалы с необычным коэффициентом Пуассона – например, пробковое дерево, у которого эта величина хоть и положительна, но очень невелика. Все знают, как трудно засунуть пробку обратно, однако благодаря небольшому коэффициенту Пуассона пробка при этом не слишком удлиняется. Но небольшого положительного значения этой величины у пробки оказывается достаточно, что пробку можно вынуть штопором: растягиваясь, она чуть-чуть сжимается.

Отрицательный коэффициент в нанобумаге возникает из-за необычного сочетания силовых констант, описывающих работу нанотрубок на растяжение и на изгиб. Важное значение имеет трубчатая форма нановолокон и степень сцепления между стенками одностенных трубок. Эти константы, слабость контактов между одностенными и многостенными нанотрубками и слабости взаимодействия между различными слоями многостенных нанотрубок и приводят к отрицательному коэффициенту Пуассона.

Александр Тарасенков

http://www.internovosti.ru/text/?…

UT Dallas, Brazilian Researchers Discover Remarkable New Properties for Nanotube Sheets

http://www.utdallas.edu/…4/25-003.php

Sign Change of Poisson's Ratio for Carbon Nanotube Sheets

Hall et al.

Science 25 April 2008: 504–507

DOI: 10.1126/science.1149815

http://www.sciencemag.org/…320/5875/504

Ну, молодцы ребята! То они соткут из нанотрубок небывалых размеров простыню (http://www.nanonewsnet.ru/…z-nanotrubok), то сотворят какую-то удивительную бумагу. Да ещё при этом походя сделают пару-другую открытий и изобретений, которые поначалу даже и не знаешь, где и как использовать. И при всей их якобы «легкости» свершений (открытия и изобретения делаются ими как бы играючи) заметны целеустремлённость и настойчивость в достижении (даже пока не известной им самим) цели. Вот качества настоящих учёных!.. Вот ради чего в США, как в Мекку, постоянно стремятся тысячи учёных и исследователей со всего мира. В своей стране ты можешь получать приличное (денежное) содержание, работать в новейшей лаборатории, но если у тебя в начальниках будет, скажем, не к ночи будь помянут, Трофим Денисович Лысенко… То результаты твоей работы могут удивить… только сантехника дядю Васю… А это – в мире настоящих учёных – «не совсем то»… Всё-таки молодцы ребята! Когда и наши учёные будут работать столь же продуктивно?..