Нити из углеродных нанотрубок, искусственные мышцы и прозрачные листы:расширенные возможности применения

Углеродные нанотрубки (УНТ) известны своей необычайной прочностью, модулем упругости, электропроводностью и теплопроводностью, а также термической стабильностью в широком диапазоне температур. Одна нанотрубка может иметь прочность на разрыв, в 100 раз превышающую прочность стали, что делает их идеальными строительными блоками для высокопроизводительных материалов.[1]

Чтобы использовать эти свойства, исследователи разработали непрерывную пряжу из чистых УНТ и композитную пряжу с высоким содержанием УНТ. Такие методы, как электропрядение многостенных волокон полиакрилонитрила (ПАН), армированных УНТ (MWCNT), или нитей УНТ/целлюлозного бамбука, позволяют получить многофункциональные продукты со значительно улучшенными механическими, термическими и электрическими характеристиками. Одностенные волокна УНТ (ОУНТ) также можно изготавливать из жидкокристаллических растворов, получая непрерывные чистые волокна УНТ с превосходными свойствами.[2]

Производство пряжи CNT

Непрерывные волокна УНТ можно производить в горизонтальном реакторе химического осаждения из паровой фазы (CVD). На этапе уплотнения водяным паром «носок» УНТ сжимается до плотной нити толщиной 1–3 мм, в результате чего получается высокопористая (≈99%), но при этом механически прочная и электропроводящая нить. Этот процесс позволяет точно контролировать плотность намотки, обеспечивая пропитку полимерами для образования композитов или смешивание с другими нитями для индивидуальных структурных и функциональных применений.[3]

Искусственные мышцы от CNT

Скручивая пряжу УНТ в бесшовные полые цилиндры и пропитывая их парафином, изменяющим объем, исследователи создали искусственные мышцы, способные к сверхбыстрым сокращениям. Нагревание воска — с помощью электрического тока или короткого светового импульса — заставляет воск расширяться, нить набухать в объеме, а длина сжиматься, создавая движение всего за 25 мкс. Эти приводы могут поднимать грузы, в 200 раз тяжелее, чем естественные мышцы эквивалентного размера, хотя в настоящее время они остаются непригодными для прямой биомедицинской имплантации.[4]

Потенциальные области применения включают робототехнику, минимально инвазивные хирургические катетеры, микромоторы, микрофлюидные смесители, настраиваемую оптику, микроклапаны, прецизионные позиционеры и даже потребительские игрушки.

Прозрачные листы CNT

Масштабирование УНТ в структуры макроразмера без связующих веществ исторически было сложной задачей. Последние достижения включают в себя вращение вертикально выровненных лесов УНТ для формирования широких и длинных прозрачных листов. Полученный самонесущий аэрогель после уплотнения образует прочные тонкие пленки, которые проводят электричество, связывают микроволны с пластиком и служат гибкими электродами для органических светодиодов, источников поляризованного широкополосного излучения и других приложений.[5]

Эти открытия иллюстрируют универсальность УНТ в структурных, функциональных и электронных областях.