Какие длинные и дорогие нити из нанотрубок!

perst22_2a.jpg (12280 bytes)

Уникальные механические свойства отдельных нанотрубок могут использоваться только в пределах нанодиапазона. Однако для ряда применений представляют интерес непрерывные нити и ленты из большого числа ориентированных углеродных нанотрубок. Первый шаг на этом пути был сделан в 2000 г. Vigolo et al. [1]. Авторы разработали простой метод получения жестких волокон и лент из одностенных ориентированных нанотрубок, используя оригинальный метод. Он основан на свойствах системы нанотрубки/вода/поверхностно-активное вещество. Исходный материал в форме пучков из нескольких нанотрубок помещали в водный раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ), которое адсорбировалось на поверхности пучков нанотрубок. При определенной концентрации этого вещества электростатическое отталкивание уравновешивало силы притяжения Ван-дер-Ваальса. В результате образовывалась суспензия равномерно диспергированных нанотрубок. С помощью шприца эту суспензию медленно вводили в поток раствора полимера, помещенного во вращающийся цилиндрический сосуд. Полимер замещал часть молекул ПАВ на поверхности нанотрубок, что заново вызывало их агрегацию. Как и ожидалось, нанотрубки предпочтительно ориентировались в направлении вращения. Наблюдалось образование длинных лент с поперечным сечением, соответствующим размерам иглы шприца. Точные размеры зависели также и от скорости вращения. При удалении полимера со дна цилиндрического контейнера формировались спиральные ленты длиной до 1 метра с преимущественной ориентацией нанотрубок вдоль длины ленты.

При сушке в определенных условиях промытые водой ленты коллапсировали - "складывались" в плотное волокно. Авторы изготовили волокна диаметром от нескольких до 100мкм. При медленном вытягивании лент из воды получали такие волокна длиной в несколько десятков сантиметров. Волокна были настолько гибкими, что их можно было легко завязывать узлом.

Было замечено очень интересное различие структуры волокон и лент. В ленте углеродные частицы (примеси в исходном материале) были распределены равномерно, а в волокне они образовали внешнюю оболочку, в то время как сердцевина волокна состояла в основном из одностенных ориентированных нанотрубок. Этот эффект может привести к разработке нового метода очистки нанотрубок в большом масштабе (внешнюю оболочку легко удалить, например, термическим или химическим способом).

Процесс, разработанный Vigolo et al., может быть масштабирован и использован для непрерывного производства сотен и тысяч высокопрочных волокон, объединенных в шнуры. Несмотря на использование неочищенного исходного материала, модуль упругости полученных волокон равнялся 15ГПа. По-видимому, улучшить механические свойства можно, увеличив степень ориентации.

"Блестящая работа" - так охарактеризована разработка Vigolo et в [2]. Авторы [2] освоили метод Vigolo и использовали его для получения лент из чистых исходных одностенных нанотрубок. К сожалению, стоимость получаемых лент и волокон во многом определяется стоимостью пока еще очень дорогих одностенных нанотрубок.

perst22_2b.jpg (6750 bytes)а)perst22_2c.jpg (8510 bytes)б)

Рис. а) свободно подвешенный островок с нанотрубками, из которого вытягиваются волокна b) вытягиваемые нанотрубные волокна.

Авторы [3] избрали другой путь, "выдергивая" пучок нанотрубок из массива (высотой в несколько сотен микрометров), выращенного на кремниевой подложке. Они получили из чистых углеродных нанотрубок непрерывные нити длиной до 30см! "Как шелковую нить из кокона!" - радуются авторы. По их оценкам из 1 см2 такого массива можно сделать 10м нити.

Авторы считают, что для "вытягивания" подходят только такие массивы, в которых все нанотрубки параллельны друг другу и удерживаются в пучках силами Ван-дер-Ваальса. Нити обычно выглядят как тонкие ленты из параллельных прядей диаметром несколько сотен нанометров. Ширина нити зависит от числа прядей.

perst22_2e.jpg (12150 bytes)

Нанотрубная спираль в лампе накаливания

Чтобы продемонстрировать возможности нанотрубных волокон, авторы сконструировали лампу накаливания со спиралью из нанотрубных волокон, закрепленных между двумя металлическими контактами. Провод светился в вакууме 5х10-3Па при постоянном напряжении 70В в течение 3 час. В результате проводимость нанотрубного провода увеличилась на 13%, а натяжение провода изменилось от 1мН до 6.4мН. Возможно, эти изменения связаны с высоким сопротивлением контакта металл-нанотрубка, приводящим к его сильному перегреву.

perst22_2f.jpg (16164 bytes)

Нанотрубный поляризатор для УФ диапазона

Они также сконструировали нанотрубный поляризатор из набора параллельных нанотрубных волокон. При прохождении луча света через этот поляризатор фотоны, имеющие направление поляризации вдоль оси нанотрубок, поглощаются, в то время как перпендикулярно поляризованные проходят через них. Так как диаметр нанотрубок около 10нм, поляризатор может работать в УФ области спектра при длине волны излучения до десятков нм.

Авторы считают, что после соответствующей термической обработки из этой пряжи можно будет, например, сделать ткань для пуленепробиваемых жилетов или материал, блокирующий электромагнитные волны.

О.Алексеева

  1. Science, 2000, 290, p.1331
  2. Science, 2000, 290, p. 1312
  3. Nature, 2002, 419, p. 801