Из нанотрубок впервые получены многометровые волокна
Международная группа материаловедов долгие девять лет разрабатывала способ действительно массового производства длинных волокон из углеродных нанотрубок. Исследование увенчалось статьёй в журнале Nature Nanotechnology.
Нынешняя работа базируется на открытии 2001 года, сделанном нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (Richard Smalley), который занимался наукой в университете Райса (Rice University). Он и его коллеги обнаружили, что «раствор» нанотрубок позволяет легко выровнять их в одном направлении (обусловлено их формой), что положительно сказывается на свойствах всей массы.
Однако создать такой раствор не так-то просто, ведь нанотрубки не растворяются в веществах, обычно используемых для этой цели. В 2003 году химики из Райса обнаружили, что нанотрубки можно «растворить» в серной кислоте и затем работать с их массой как с жидкостью.
Кислота как бы покрывает нанотрубки оболочкой из положительно заряженных атомов.
Позже оказалось, что просто найти растворитель недостаточно. Надо подобрать такую его версию (и концентрацию), чтобы микроскопические «палочки» выстроились в большую, хорошо организованную структуру.
Тогда для получения волокон высокого качества массу можно будет продавливать через подобие мясорубки или душевой насадки. Кроме того, могут быть использованы все те технологии, что были созданы до сих пор для обработки пластмассы.
Последние пять лет учёные из Райса при помощи коллег из Института нанонауки и технологий (Institute for Nanoscale Science and Technology), университета Пенсильвании (University of Pennsylvania) и израильского технологического университета Technion создавали и изучали самые разные растворы нанотрубок в кислотах.
Израильтяне, чтобы лучше исследовать получаемые массы, существенно дорабатывали имеющиеся методы анализа. При этом вся команда участвовала в пополнении копилки знаний этой неизведанной области науки (подробности в пресс-релизе университета Райса).
«Быстрой такую интернациональную работу не назовёшь. Зато теперь мы хорошо разобрались во многих процессах, можем предсказать и знаем, как контролировать поведение нанотрубок», — рассказывает профессор Маттео Паскуали (Matteo Pasquali) из Райса.
Кстати, лучшим растворителем была признана хлорсульфоновая кислота (chlorosulphonic acid) с концентрацией до 0,5 весовых процента. В ней нанотрубки самопроизвольно растворялись примерно в тысячу раз лучше, чем в других.
Многолетняя работа привела к появлению метода получения волокон из однослойных углеродных нанотрубок (single-walled carbon nanotube) толщиной около 50 микрометров и длиной в сотни метров. Впрочем, ограничения по длине нет, констатируют химики.
Такие «нитки» можно использовать как лёгкие и высокоэффективные провода для электрической сети, как основу структурных материалов и проводящих тканей (фото Rice University).
«Сейчас мы работаем над созданием электрических линий передачи. Металлические углеродные нанотрубки проводят электрический ток лучше меди, при этом они меньше весят и лучше работают», — поясняет Паскуали.
Правда, исследователи могут похвастаться высокопроводящими, но не очень прочными волокнами (по сравнению с другими материалами на основе углерода). Маттео полагает, что в будущем это неприятное обстоятельство можно обойти путём использования более длинных углеродных нанотрубок.
Такой способ теоретически должен увеличить прочность в 10 раз.
Как ни странно, но одним из ограничений для создания таких длинных проводящих волокон является отсутствие отработанного процесса производства самих нанотрубок (то есть исходного материала). Пока во всём мире лишь единичные команды учёных могут похвастаться возможностью контроля за составом производимого материала.
«Прелесть в том, что сейчас, если нам кто-либо поставит один грамм чистых металлических нанотрубок, мы сможем через несколько дней вернуть им волокно весом в один грамм», – подводит итог Маттео. На фото учёный демонстрирует одну из таких «ниток» (фото Rice University).
О том, чтобы создавать нанотрубки с заданным составом, строением и свойствами в промышленных масштабах (большими партиями), и речи не идёт. А между тем для выпуска проводящих волокон нужны партии металлических нанотрубок, среди которых не встречаются, к примеру, те, что обладают полупроводниковыми свойствами.
Паскуали отмечает, что лишь недавно группа химиков, руководимая специалистами из исследовательского института «Хонды» (Honda Research Institute), выпустила статью в Science, в которой описала метод массового получения металлических нанотрубок.
Интересно, будет ли нынешняя разработка учёных когда-нибудь участвовать в конкурсе Tether Strength Competition, который ежегодно собирает желающих построить космический лифт?
Читайте также о предыдущих достижениях в области плетения нитей из нанотрубок и о создании самого большого листа из аналогичного материала.
Самый легкий материал в мире. Графен
