Зачастую необходимо контролировать («мониторить») движения различных частей нашего тела, например в терапевтических целях. В этом случае на помощь могут придти гибкие тензиметры, однако создание подобных устройств – весьма нетривиальная материаловедческая задача. Одно из возможных решений предложил коллектив японских ученых.

В опубликованной ими статье они нанесли предварительно выращенные пленки ОУНТ на подложку из полидиметилсилоксана, предварительно перед нанесением очередной порции смачивая ее изопропиловым спиртом. С помощью такой несложной процедуры ученым удалось добиться сравнительно прочного контакта пленок УНТ с полимерной подложкой, способного выдержать деформации вплоть до 280%.

Рис. 1. Схематическое изображение процедуры изготовления тензометра.

Чтобы детально разобраться в механизме возникающих деформаций, исследователи обратились к помощи сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Вначале при растяжении образуются щели и «островки», число которых увеличивается при увеличении прикладываемого напряжения, вместе с размером щелей. Такой механизм объясняет линейный рост сопротивления с ростом прикладываемого напряжения, наблюдаемый в эксперименте. Также на СЭМ-микрофотографиях заметны «стяжки», что соответствует положительному значению коэффициента Пуассона как у пленок ОУНТ, так и у полимерной подложки. Но куда более важны пучки параллельных нанотрубок, соединяющие два берега «островков», разделенных щелью: именно они препятствуют разрушению материала, и позволяют получить высокие значения предельной деформации, чего не удавалось добиться при хаотичной ориентации нанотрубок.

Рис. 2. Зависимость относительного изменения сопротивления от деформации для тензометра на основе параллельных ОУНТ (красная кривая) и хаотично ориентированных ОУНТ (синяя кривая).

Полученный датчик продемонстрировал высокую долговечность (выдержав 10000 измерений при деформации 150%), однако механизм деформации при первом и последующих нагружениях весьма различен. При последующих нагружениях не наблюдается ни образование новых щелей и «островков», ни их аннигиляция. Наблюдалось лишь изменение размеров щелей при запасании и выделении упругой энергии.

Рис. 3. а-е) Оптические микрофотографии, на которых можно проследить изменение структуры пленки ОУНТ при увеличении прикладываемого напряжения. Масштаб 100 мкн. f) СЭМ-микрофотография пленки, на которой хорошо видна структура образовавшихся трещин. Деформация 100%. Масштаб 5 мкн. g) СЭМ-микрофотография низкого разрешения. Масштаб 50 мкн. h) СЭМ-микрофотография, на которой отчетливо виден пучок параллельных ОУНТ, перекинутых через щель между «островками». i) Зависимость средней ширины «островков» и щели между ними от деформации. j,k) С помощью изображенной на рисунке бумажной модели авторы статьи пытаются наглядно объяснить механизм деформации пленки ОУНТ.