Нанотрубки позволяют сделать искусственную резину, эластичную в чрезвычайно широком диапазоне температур
 Структурные модели различных вязкоупругих материалов, построенных из углеродных нанотрубок. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Ученые со всего мира уже около 20 лет изучают углеродные нанотрубки, потому что они обладают множеством интересных свойств, в частности достаточно высоким пределом прочности и высокой электропроводностью. Теперь же ученые из National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, Япония) обнаружили еще одно примечательное свойство материалов, построенных из нанотрубок – вязкоупругость при широком диапазоне температур.
Вязкоупругие материалы ведут себя как «густые» жидкости (например, мед), но, кроме того, им свойственна обратимая упругая деформация, как в случае с резиной. Один из примеров такого материала – полимерная пена, используемая для производства защитных затычек для ушей. С одной стороны, они приспосабливаются к индивидуальной форме уха, но все же возвращается к своей первоначальной форме после окончания использования. В той или иной степени свойство вязкоупругости обнаружено в самых разных материалах, включая аморфные и полупрозрачные полимеры, некоторые биоматериалы, кристаллы и даже ряд сплавов металлов.
Предложенный учеными новый материал представляет собой случайную сеть, сформированную из одно-, двух- и трех-стенных углеродных нанотрубок. Он обладает вязкоупругостью той же степени, что и наиболее стойкая к температурным воздействиям силиконовая резина. Однако если резина сохраняет свои свойства в диапазоне от -55 до 300 градусов по шкале Цельсия, то новый материал из углеродных нанотрубок остается вязкоупругим в гораздо более широком диапазоне условий окружающей среды.
Производство материала научная группа организовала при помощи размещения металлического катализатора на кремниевом основании. Отдельные частицы катализатора действуют как «семена», позволяя выращивать на кремнии углеродные нанотрубки, например, из этилена. При этом капля воды, добавленная к смеси, позволяет выращивать нанотрубки достаточно большой длины.
Обычно при помощи этой методики просто выращивают отдельные нанотрубки или плотное их множество. Но исследователи нашли способ понизить плотность нанотрубок, что позволило в итоге сформировать случайную сеть из достаточно длинных отдельных нанотрубок. Между собой трубки связаны силами межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Высокую упругость при широком диапазоне температур такому материалу позволяет сохранять упругая энергия, запасенная в каждой отдельной нанотрубке, а также относительная свобода соприкосновений между ними. Первичные исследования показали, что материал отлично выдерживает охлаждение до -196 градусов и нагрев до 1000 градусов по шкале Цельсия. К слову, сами нанотрубки являются устойчивыми и при гораздо более высоких температурах (до 2 и даже 3 тысяч градусов по шкале Цельсия). Таким образом, предложенный материал может оказаться вязкоупругим и при этих значениях температуры окружающей среды.
Созданный материал полностью уникален и его свойства до конца не изучены. Поэтому ученые пока не называют все возможные его применения. В настоящее время исследования продолжаются. Такой род «универсальной резины» мог бы найти применение и в космосе, и в высокотемпературных вакуумных печах. В дальнейшем возможны самые разнообразные практические приложения, от текстильной промышленности до вязкоупругой обуви, которая позволяет меньше травмировать ногу при передвижениях по жестким поверхностям.
Также по теме:
- Чистые нанотрубки – путь к фундаментальным открытиям и квантовым вычислениям
- Нанотрубки в качестве химических датчиков
Источники: