Исследователи из МФТИ, ТИСНУМ, МГУ и МИСиС показали возможность изготовления сверхпрочного материала путем «сшивания» многостенных углеродных нанотрубок. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
По словам ученых, такой материал может быть полезен там, где критически важна прочность и целостность даже в жестких окружающих условиях, например, в аэрокосмической отрасли.
Авторы статьи провели ряд экспериментов по изучению многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) в ячейках высокого давления, смоделировали их поведение и выяснили, что под действием сжимающих напряжений соседние трубки прочно «склеиваются» между собой, что связано с разрушением их поверхности. Однако внутренние концентрические стенки трубки только уменьшаются в размерах, а при снятии давления полностью восстанавливают свою форму.
Особенность работы состоит в том, что ученые показали возможность создания ковалентно связанных между собой (полимеризованных) многостенных нанотрубок, которые, в отличие от одностенных, намного дешевле в производстве.
«На образование связей между нанотрубками «расходуется» внешняя оболочка, в то время как внутренние слои оказываются незатронутыми. Это позволяет сохранить уникальную прочность исходных нанотрубок», — комментирует Михаил Юрьевич Попов, профессор Кафедры физики и химии наноструктур ФМХФ МФТИ и заведующий Лабораторией функциональных наноматериалов ФГБНУ ТИСНУМ.
Схема «сшивания» нанотрубок. Деформация при воздействии давления и после его снятия
Нанотрубки сжимались в сдвиговой камере с алмазными наковальнями (СКАН) при высоком давлении — до 55 ГПа (в 500 раз больше, чем давление воды на дне Марианской впадины). Камера состоит из двух алмазов, сжимающих исследуемый материал. В отличие от обычных конструкций камер, в СКАН имеется возможность деформировать образец за счет вращения наковален. Создающееся в этих камерах давление можно разложить на две компоненты: гидростатическое (всестороннее, перпендикулярное поверхности образца) и напряжение сдвига (касательное). С помощью компьютерного моделирования ученые установили, что эти компоненты деформируют структуру трубок по-разному. Гидростатическое давление сжимает трубку и меняет сложным образом геометрию ее стенок, а сдвиговое напряжение переводит поверхностные атомы углерода в новое состояние (из sp2— в sp3— гибридизацию), и они «склеиваются» с атомами углерода соседних трубок. После снятия давления внутренние стенки сшитых трубок, сжатые гидростатическим давлением, восстанавливают свою форму.
Углеродные нанотрубки нашли широкое коммерческое применение благодаря своим особым механическим, проводящим и термическим свойствам. Они используются в батареях и аккумуляторах, сенсорных панелях для смартфонов и планшетов, в солнечных элементах, в антистатических покрытиях и композитных корпусах для электроники.
