Прядильные способности пауков – ключ к высокопрочным волокнам

Имитируя прядильные способности пауков, ученые создали нанотрубочные волокна с невиданным ранее сочетанием крепости, проводимости и гибкости. Эти легкие и многофункциональные ткани могут найти применение в аэрокосмической и автомобильной промышленности, медицине, а также в производстве одежды.

Углеродные нанотрубки представляют собой пустотелые трубчатые образования из чистого углерода нанометры, или миллиардные метра в диаметре. Будучи шириной лишь с цепочку ДНК, они в 100 раз крепче и в шесть раз легче стали, а по проводимости и электричества, и тепла они могут соревноваться с наилучшими металлическими проводниками. В совокупности эти захватывающие свойства нанотрубок привлекли к себе много внимания со стороны исследователей после открытия в 1991 году.

Однако при всем громадном потенциале с углеродными нанотрубками крайне сложно работать, а создание углеродных волокон, способных сохранить поразительные свойства нанотрубок, оказалось труднейшей задачей.

Ученые располагают двумя вариантами производства волокон из углеродных нанотрубок. Один способ, известный как твердотельный процесс, предусматривает вытягивание нитей из сухих комков, обычно формируемых нанотрубками, что похоже на создание шариков из хлопка. В соответствии с другим вариантом, известным как формирование мокрым способом, берется поток жидкости с нанотрубками и сгущается до создания твердого волокна, что во многом напоминает генерирование шелковых нитей пауками.

Углеродные волокна с наилучшими механическими и проводящими свойствами – это теоретически те, что состоят из плотно упакованных и идеально выровненных нанотрубок, как карандаши в коробке. Так как твердотельный процесс начинается со спутанной массы нанотрубок, получающиеся волокна часто упакованы довольно беспорядочно и свободно. При этом вытягивание волокон из этих комков – часто трудновыполнимый и громоздкий процесс, вследствие чего его сложно применять в промышленных масштабах.

Несмотря на такие недостатки, твердотельные углеродные нанотрубочные волокна на данный момент обеспечивают наилучшие свойства, так как состоят из относительно длинных углеродных нанотрубок размером миллиметр и более.

В сравнении формирование мокрым способом относительно простое и его можно легко использовать в промышленных нуждах. Оно также имеет преимущество в создании самых высокоорганизованных и плотных углеродных нанотрубочных волокон. Однако в этом способе долгое время использовались нанотрубки лишь полмикрона, то есть половину тысячной миллиметра длиной, что в среднем в 200 раз тоньше человеческого волоса. Это отрицательно влияет на механические и проводящие характеристики в сравнении с более длинными трубками.

«Нанотрубки все одинаковые, и они склонны запутываться и слипаться, ведь с увеличением их длины взаимодействие поверхностей становится все сильнее. Если вы хотите получить преимущества углеродных нанотрубок, их необходимо распутать и упорядочить», - рассказывает химик Маттео Паскуали. Ему и его коллегам удалось усовершенствовать процесс формирования мокрым способом путем использования в нем углеродных нанотрубок длиной в 10 раз длиннее, чем раньше.

Секрет новой технологии в растворении нанотрубок в очень сильном веществе – хлорсульфоновой кислоте. Это подавляет свойства их поверхностей, что удерживает относительно длинные нанотрубки от спутывания.

«Наш коллега Натнаель Баабту обнаружил простой способ, демонстрирующий, что углеродные нанотрубки можно вытянуть из растворов хлорсульфоновой кислоты, - рассказывает Паскуали. – Это оказалось ключевым моментом для нового процесса».

Полученное волокно, которое около 10-50 микрон шириной, содержит десятки миллионов нанотрубок, упакованных параллельно. Это похоже на черную хлопковую нить, но имеет свойства металлической проволоки и крепких углеродных волокон, отмечают исследователи.

Новое волокно демонстрирует прочность на разрыв и электрическую проводимость в 10 раз, а теплопроводность в 30 раз выше, чем нити, полученные мокрым способом ранее. Сравнивая с наилучшими твердотельными волокнами, они практически одинаковы в отношении прочности на разрыв, в 3-5 раз лучше проводят электричество и в 10 раз лучше – тепло.

Проводимость тепла новых углеродных нанотрубочных волокон приближается к свойствам наилучших графитовых волокон, но электропроводимость первых в 10 раз лучше, отмечают исследователи. Однако графитовые волокна хрупкие, тогда как новые углеродные волокна такие же гибкие и прочные как текстильные нити.

Электропроводимость нового материала соответствует медной, золотой и алюминиевой проволоке, но он прочнее и легче. При этом следует учесть, что металлическая проволока, будучи слишком тонкой, при наматывании рвется, потому во многих случаях используется проволока, которая гораздо толще, чем необходимо для целей электрики. Причина этому лишь в том, что более тонкую проволоку производить сложно. Кабели для передачи данных тому хороший пример.

«Теоретически мы сможем повысить крепость до показателя в 10-30 раз больше, электропроводимость – в 10-20 раз, теплопроводность – в 5-8 раз, - уверен Паскуали. – Мы надеемся оптимизировать характеристики путем использования более длинных и качественных углеродных нанотрубок, которые будут идентичны в отношении атомной конфигурации и длины, а также будут иметь единственную стенку из углерода. Мы также надеемся улучшить свойства при помощи внесения изменений на этапе вытягивания нити и в последующую обработку».

Источник: Livescience

• < Восстанавливается численность тигров
• 8 недорогих мест для межсезонных путешествий >

Комментарии: