В соответствии с последними экспериментальными данными ученых из Китая, для сантиметровых двойных углеродных нанотрубок характерна супергладкость (т.е. почти полное отсутствие всех вариантов трения). Обнаруженный учеными факт лишний раз доказывает, что подобное явление можно наблюдать у объектов гораздо больших масштабах, чем считалось ранее. В будущем это открытие поможет улучшить микро- и наноустройства на основе углеродных нанотрубок, которые сейчас имеют ряд недостатков из-за трения.

Супергладкость (также известная, как структурная супергладкость) представляет собой явление, при котором трение между двумя твердыми поверхностями, перемещающимися друг относительно друга, практически исчезает.

Супергладкость в основном наблюдается в микро- и наномасштабе, чаще – в условиях высокого вакуума. И до сих пор многие исследователи полагали, что данное явление просто не может существовать в макромасштабе, поскольку крупные объекты по своей природе имеют достаточно грубую микроструктуру.

Однако совместная команда из Tsinghua University и Peking University (Китай) опровергла это предположение.

Углеродные нанотрубки с двойными стенками, состоящие из двух коаксиальных свернутых листов углерода (графена) с большим соотношением длины и ширины, как показали исследования, ***имеют практически совершенную кристаллическую структуру даже на макро-масштабах длины. Это делает их идеальными для изучения явления супергладкости**.

Для большинства подобных нанотрубок поверхности внутренней и внешней оболочек не имеют энергетически предпочтительных положений друг относительно друга. Таким образом, практически без усилий одна поверхность может скользить по другой. Такое отсутствие трения – очень хорошая новость для наномашин.

Для идеальных углеродных нанотрубок с двойными стенками, в которых часть внутренней оболочки слегка выдвинута из внешней, напряжение сдвига в перекрывающейся области исчезает за счет действия ванн-дер-ваальсовых сил. Т.е. за

взаимодействие в данном случае отвечает только «крайняя» секция углеродной нанотрубки. Поскольку трение между двумя оболочками не зависит от длины нанотрубки, супергладкость должна проявиться даже на сантиметровых масштабах длины.

Предположение не только было сформулировано научной группой для абстрактной идеализированной двустенной углеродной нанотрубки, но и проверено в реальном мире. Свои результаты ученые получили, протянув внутреннюю оболочку двустенной углеродной нанотрубки через внешнюю с использованием зонда сканирующего электронного микроскопа, снабженного наноманипулятором.

После этого они проанализировали силу трения, действовавшую между внутренней и внешними оболочками. Как показали измерения,

она практически не зависела от длины нанотрубки: она изменялась всего на 2 нН даже тогда, когда длина контакта внутренней и внешней оболочек увеличивалась или уменьшалась на шесть порядков (от нескольких десятков нанометров до нескольких миллиметров). Полученный результат доказал, что

внутренняя оболочка могла бы легко извлекаться из внешней, даже если бы трубка имела бесконечную длину.

Ученые считают, что

полученный ими результат имеет важнейшее значение для фундаментальных исследований трения и для различных технологических приложений супергладкости. По их мнению, открытие уже в ближайшем будущем поможет построить микро- и наноустройства на основе двустенных углеродных нанотрубок, в которых задействуется свойство супергладкости.

Теперь команда планирует изучить супергладкость в других конфигурациях нанотрубок, в частности, в тройных структурах, а также объектах, состоящих из четырех слоев нанотрубок. Кроме того, в ближайших планах проектирование и строительство наноэлектромеханических устройств на основе двустенных углеродных нанотрубок и полученных результатов.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.