Углеродные нанотрубки — это словосочетание знакомо уже не только ученым-нанотехнологам, но и простым людям. Многие знают, что с их помощью обычные вещи приобретают сверхъестественные свойства. Но мало кто понимает, как они устроены и что нужно сделать для того, чтобы получить этот универсальный материал.
Для начала вспомним о графене. Он представляет собой "лист" графита, где молекулы углерода уложены строго в один слой. Если свернем его в трубочку, то получим наглядную схему углеродной нанотрубки. Руками такой "рулетик" не сделаешь, поэтому для получения наноматериала ученые применяют высокотемпературные методы. Нанотрубка зарождается при достижении высокой концентрации атомов углерода на частице из металла. На ней образуется своеобразная "шапочка" из слоя графена, потому что это энергетически выгодно, так как любая система стремится к покою (то есть к выработке минимума энергии). При дальнейшем нагревании шапочка поднимается, вытягивая за собой связанные атомы углерода. Так и образуется нанотрубка.
Процесс создания нанотрубок особой сложности не представляет, поэтому их можно производить в достаточных количествах для самых разных целей. По этой же причине они подходят для применения в повседневной жизни. Возьмем строительство — бетонные стены. В них для укрепления используется стальная или композитная арматура. Последняя состоит из базальтовых или стеклянных волокон, соединенных эпоксидной смолой. Она связывает волокна и защищает от агрессивного воздействия окружающей среды, но в то же время сама является слабым материалом, не способным выдерживать большую нагрузку.
Однако ученые из Инженерной школы Дальневосточного федерального университета создали более прочную композитную арматуру. Они "укрепили" смолу, добавив в нее углеродные нанотрубки, которые выполняют функцию упрочнителя материала. Исследователи сообщают, что новая арматура с нанотрубками по сравнению с обычной на 75-97% лучше сопротивляется растяжению и на 7-15% лучше выдерживает деформации.
Существуют и намного более экзотичные варианты применения углеродных нанотрубок. В Массачусетском технологическом университете исследователи создали с их помощью шпинат, который способен искать взрывчатку! Чтобы создать зеленую "ищейку", они вводили в листья растения раствор углеродных нанотрубок, на которые были намотаны молекулы белка бомболитина.
Данная смесь "умеет" распознавать нитроароматические соединения — основу многих взрывчатых веществ, так как при взаимодействии с ними белок меняет свою пространственную структуру. Это приводит к изменению спектра излучения нанотрубок. Вооруженный нанотрубками и бомболитином шпинат находил тринитрофенол (взрывчатое вещество) за восемь минут.
"Углеродные нанотрубки — действительно уникальный физический объект. Их идеальная гексагональная структура оболочек обеспечивает как сверхвысокую электронную проводимость, так и прочность этих объектов. Однако, пожалуй, большее значение для материаловедов имеют уникальные геометрические характеристики углеродных нанотрубок. Отношение длины к диаметру (аспектное число) нанотрубки может быть очень большим, до 10⁵. Они представляют собой сверхпрочные "наноканаты" длиной до нескольких микрометров. Из-за своей протяженности даже одна нанотрубка, помещенная в пленку, может "проткнуть" ее насквозь и образовать в ней канал для переноса электрического заряда или молекул — либо работать как арматура в композитном материале. Если пытаться создать такой канал из шариков, их понадобится намного большее количество. Этот эффект, называемый перколяционным переходом, происходит при сотых долях нанотрубок от массы всей пленки. Таким образом, микроскопические добавки углеродных нанотрубок в материалы могут кардинально изменять их свойства. Например, достаточно просто сделать полимер электропроводящим или селективным к определенным молекулам", — поясняет Алексей Грехов, кандидат физико-математический наук, доцент НИЯУ "МИФИ".
А в Университете Трента физики опрыскали пауков водой с кусочками графена и нанотрубками, после чего животные сплели сверхпрочную паутину — даже более крепкую, чем кевларовые волокна.
Но и фундаментальные исследования, посвященные нанотрубкам, способны удивить. Например, тем, что они обнаруживают свойства, буквально не совместимые с привычными законами физики. Мы знаем, что температура закипания воды меняется в зависимости от давления. На уровне моря она закипает при 100°C. А в горах, на высоте 4000 метров, уже при 85°C. Также ученые выяснили, что на температуру закипания воды влияет ограничение пространства, если она заключена в сферу диаметром около сотни нанометров. А внутри углеродных нанотрубок, вместимость которых буквально несколько молекул, вода находится в кристаллической фазе (лед) при температуре, при которой должна кипеть. В эксперименте ученых вода сохраняла твердую фазу при 105 градусах.
Ученые пока не смогли полностью объяснить данный феномен. Предварительно они "подозревают" особое взаимодействие молекул воды со стенками нанотрубок в связи с очень малым пространством. Зато они уже выяснили, что разница в диаметре нанотрубки в один ангстрем приводит к изменению температуры замерзания на десятки градусов.
По информации https://ria.ru/science/20171002/1505879836.html
Обозрение "Terra & Comp".
