Из смеси углеродных нанотрубок ученые создали материал, который может восстанавливать свою форму после деформации при широком диапазоне температур.

Обзорная статья американского профессора, Директора Института Нанотехнологий Университета им. А. Дж. Дрекселя, Юрия Георгиевича Гогоци в журнале Science, об исследовании физико-химических свойств и возможном применении уникального материала из смеси углеродных нанотрубок – "высокотемпературного каучука", вызвала огромный резонанс в интернет изданиях по всему миру, поскольку использование такого материала открывает огромные перспективы. Углеродные нанотрубки можно считать одним из наиболее изучаемых материалов за последних два десятилетия. Они показали чрезвычайно высокую электропроводность и прочность при растяжении. Каучук из углеродных нанотрубок – это особое вещество, которому свойственна и вязкость (схоже с медом), и упругость при деформации, как у резины. Это вязкоупругий материал со свойствами резины при умеренных деформациях.

Вязкоупругие нанотрубки при наблюдении в микроскоп выглядят как хаотично переплетенные сети.

Вязкоупругость наиболее свойственна полимерным материалам. Она зависит от температуры и молекулярного строения полимерных связей, поскольку механизм управления вязкоупругостью материала – термически активированый процесс. Существует предположение, что, в отличие от полимеров, температурная стабильность данного материала, так называемого углеродного каучука, связана с диссипацией энергии путем образования и разрыва связей Ван-дер-Ваальса при сжимании и разжимании углеродных нанотрубок. Механизм диссипации энергии действует также благодаря сплющиванию нанотрубок и восстановлению ими прежней формы. Для трубок с диаметром от 3 до 5,5 нм сжатое состояние метастабильно и отделяется от энергетически выгодной цилиндрической формы энергетическим барьером, который уменьшается с диаметром и исчезает, когда диаметр одностенной трубки составляет менее 3 нм.

Материал из переплетенных нанотрубок является одним из видов универсальной резины, которая может быть использована как в холодном межзвездном пространстве, так и в высокотемпературной вакуумной печи. Совсем нелегко будет найти материал с аналогичными вязкоупругими свойствами. Похожие свойства присущи лишь тонкостенным углеродным нанокапсулам (нанолуковицы или многослойные гигантские фуллерены), которые могут проявлять обратимую сжимаемость, аналогичную нанотрубкам, но лишь волокнистые материалы имеют эластичность и такие большие обратимые деформации при растяжении. Также и нанотрубные кольца могут образовывать эластичный материал, но такие структуры из углеродных колец остаются пока гипотетическими.

Во многих случаях использования высокотемпературных материалов они подвергаются окислению, а поскольку большинство нанотрубок малых диаметров сгорают уже при температуре около 400°C, то их применение при высоких температурах возможно лишь в среде вакуума или близкой к нему. Внедрение таких нанотрубок в коммерческие продукты будет в большей степени зависеть от снижения материальных затрат на производство, но необходимо учитывать, что стоимость производства многостенных нанотрубок диаметром около 5 нм уже упала до потребительского уровня и есть вероятность, что и одно-, и двустенные трубки также станут доступны потребителю.

На иллюстрации:

А – три нанотрубки (однослойные, с двойными и тройными стенками) взаимодействуют между собой с помощью связей ван-дер-Ваальса;

В – уменьшение расстояния между стенками нанотрубок при сжатии временно создает ван-дер-Ваальсовые связи в средней части нанотрубки;

С - гипотетический материал, состоящий из взаимосвязанных нанотрубных колец, которые являются возможным вязкоупругим материалом с улучшеной прочностью на разрыв.

Reference:

Yury Gogotsi, High-temperature rubber made from carbon nanotubes // Science, V. 330, 3 December 2010