Углеродные нанотрубки: пионеры ультрапрочных и ультралегких материалов

Что в 100 раз прочнее стали, но легче алюминия? Углеродные нанотрубки — среди самых прочных материалов, когда-либо открытых, однако инженеры только начинают раскрывать их полный потенциал.

Углеродные нанотрубки — это аллотропный модификация углерода, то есть один из нескольких возможных вариантов расположения атомов, которые может принимать углерод. В природе чистый углерод встречается либо в виде графита, мягкого чешуйчатого твердого тела, либо в виде алмаза, который прозрачен и является самым твердым естественным материалом.

Углеродные нанотрубки ближе к графиту, чем к алмазу. Хотя графит очень мягок, он состоит из слоев атомов углерода, расположенных в листах толщиной в один атом. Эти отдельные листы называются графеном, а углеродные нанотрубки — это то, что получится, если свернуть лист графена в форму трубки.

Графен — замечательный материал сам по себе. Как и углеродные нанотрубки, он невероятно прочен. Нобелевская премия по физике 2010 года была вручена команде, первой изолировавшей лист графена, и графен настолько прочен, что теоретически лист графена весом около одного миллиграмма мог бы удержать кошку.

Этот гипотетический «гамак для кошки» был бы толщиной в один атом и полностью невидим для человеческого глаза. Углеродные нанотрубки формируются из одного или нескольких слоев графена, расположенных в трубку, и также экстремально прочны.

Согласно документу Нобелевского комитета, если гамак площадью один квадратный метр из графена был бы «связан между двумя деревьями, вы могли бы поместить вес примерно 4 килограмма, прежде чем он порвется. Таким образом, можно сделать почти невидимый гамак из графена, который удержит кошку без разрыва.

В настоящее время углеродные нанотрубки в основном используются для улучшения свойств полимерных композитов. Углеродные нанотрубки могут предлагать ряд выгодных свойств:

• Очень высокая прочность
• Высокое соотношение прочность/вес
• Высокая электрическая проводимость
• Высокая теплопроводность

Свойства углеродных нанотрубок

По сравнению с другими армирующими материалами, углеродные нанотрубки значительно прочнее других волокон, используемых в полимерных композитах, армированных волокнами. Недавние исследования также фокусируются на разработке функционально-градуированных полимеров, где углеродные нанотрубки распределяются стратегически внутри полимерной структуры для придания ей индивидуальных механических свойств.

Материал	Прочность (источники данных в ссылках)
Многослойные углеродные нанотрубки	11 - 63 ГПа
Углеродное волокно	3,5 - 5,5 ГПа
Стекловолокно	3,5 - 4,6 ГПа
Кевлар	3,0 ГПа
Сталь	0,23 - 0,73 ГПа

Углеродные нанотрубки также предлагают хорошую электрическую и тепловую проводимость, что делает их полезными в приложениях электроники или как добавки к полимерам и клеям для придания им проводимости. Традиционно металлы были основным материалом для электрических и тепловых проводников в электронике, потому что полимеры и керамика предлагали низкую электрическую и тепловую проводимость по сравнению.

Однако путем добавления углеродных нанотрубок несколько полимеров можно сделать проводящими, что открывает новые возможности для более быстрого, менее дорогого производства электроники.

Материал	Электрическая проводимость (источники данных в ссылках)	Теплопроводность (источники данных в ссылках)
Однолейковые углеродные нанотрубки	102 - 106 С/см	6000 Вт/м·К
Многослойные углеродные нанотрубки	103 - 105 С/см	2000 Вт/м·К
Алмаз	10-2 - 10-15 С/см	900 - 2320 Вт/м·К
Графит	3,3 - 4000 С/см	2,2-298 Вт/м·К
Медь	4,3•109- 5,9•109 С/см	305 - 385 Вт/м·К

Композиты, армированные углеродными нанотрубками

Если графен и углеродные нанотрубки такие невероятно прочные, то почему мы не используем их во всем? Деталь с прочностью, сопоставимой с графеном или углеродными нанотрубками, была бы практически неразрушима по сравнению с любым другим материалом.

Чтобы понять проблему использования невероятной прочности углеродных нанотрубок и графена, можно посмотреть на причину мягкости графита. Отдельные листы графена экстремально прочны, но графит мягок, потому что связи между слоями графена слабы.

Отдельные углеродные нанотрубки — один из самых прочных материалов, когда-либо открытых, но они должны быть соединены вместе, чтобы их прочность стала полезной.

Углеродные нанотрубки — это то, что получится при свертывании листа графена в трубку.

Именно поэтому углеродные нанотрубки часто используются как добавка в другие материалы, обычно полимеры, для улучшения их свойств. Углеродные нанотрубки добавляют прочность, а «матрица», в которой они диспергированы, держит всё вместе. Но это оставляет вопрос: Почему эти крошечные нанотрубки так намного прочнее объемных материалов? Они прочны, потому что они малы.

Ультрапрочные наноматериалы

Ключ к прочности углеродных нанотрубок кроется в том, что они приближаются к теоретической прочности углерода благодаря своему малому размеру. Теоретическая прочность материала — это напряжение, необходимое для разрыва идеального кристалла, свободного от дефектов.

Например, теоретическая прочность чистого железа — 31,8 ГПа, в то время как объемные стали имеют прочность в диапазоне 270–740 МПа, менее 2,5% от теоретической. Это потому, что крошечные дефекты, известные как дислокации, делают объемные стали восприимчивыми к пластической деформации и разрушению при более низких напряжениях по сравнению с гипотетическим бездефектным кристаллом.

SEM-изображение выровненных углеродных нанотрубок. © Fraunhofer IKTS

Объемные материалы никогда не приближаются к своим теоретическим прочностям, потому что даже при исключительно тщательной обработке крупномасштабные материалы неизбежно получают микроструктурные дефекты, снижающие их прочность. Это также причина, по которой, к сожалению, маловероятно, что люди когда-либо смогут изготовить большой и идеальный лист графена, как одноатомный гамак для кошки, описанный на церемонии вручения Нобелевской премии 2010 года.

Такой большой лист обязательно содержал бы дефекты, снижающие его прочность, и кошка порвала бы гамак. Таким образом, обработка большинства объемных материалов фокусируется на ограничении влияния их микроструктурных дефектов, а не на их полном устранении. Создание больших объемов полностью бездефектного материала практически невозможно с текущими технологиями.

Электронно-микроскопическое изображение электрохимически выросших TiO2 нанотрубок. В 10 000 раз тоньше человеческого волоса, трубки заполнены органическим полимером в новой технике «выращивания» солнечных элементов с потенциалом быть дешевле текущих.

Синтез бездефектного материала гораздо более выполним, если объем материала очень, очень мал. Простыми словами, очень маленькое количество материала статистически менее вероятно содержит дефект, чем большое, и малые объемы легче создавать химическими процессами роста, вводящими мало дефектов.

Таким образом, можно создавать большие количества бездефектных нанотрубок, но нельзя создать большой монолитный кусок бездефектного материала. Углеродные нанотрубки ультрапрочны, потому что они ультрамалы, что делает возможным их бездефектность.

Углеродные нанотрубки, сплетенные в пряжу.

Также стоит помнить, что прочность материалов измеряется делением силы, необходимой для разрушения образца, на площадь его поперечного сечения, что дает единицы вроде мегапаскаля (МПа), эквивалентного одному ньютону на квадратный миллиметр (Н/мм²). Таким образом, измерения прочности автоматически компенсируют количество материала в образце, и мы можем сравнить прочность стального стержня диаметром 1 см с прочностью углеродной нанотрубки диаметром 1 мкм.

Крошечная нанотрубка гораздо более вероятно полностью бездефектна, и поэтому экстремально прочна. Но чтобы собрать достаточно нанотрубок для создания детали размером со стальной стержень, нам пришлось бы создать волокнисто-армированный композит.

Их малый размер и результирующее отсутствие дефектов делают углеродные нанотрубки ультрапрочным наноматериалом, с сообщаемой прочностью отдельных многослойных нанотрубок 11–63 ГПа, что близко к теоретической прочности углерода 156,0 ГПа. Другие материалы также могут быть сделаны ультрамалыми, бездефектными «усами», включая железо, у которого сообщаемая прочность 13 ГПа в форме наноуса, гораздо более близкое к теоретической прочности железа, чем объемные стали.

Многие другие материалы были синтезированы в форме нанотрубок, нанопроводников или усов в лабораторных условиях, но углеродные нанотрубки — один из немногих ультрапрочных наноматериалов, доступных в коммерческих объемах от поставщиков вроде Goodfellow.

Заключения

Углеродные нанотрубки — один из самых прочных материалов, когда-либо открытых, потому что их экстремально малый размер делает возможным их бездефектность и приближение к достижению теоретической прочности углерода. Именно поэтому углеродные нанотрубки чаще всего используются для улучшения свойств других материалов, например, когда они добавляются в полимерные матрицы для улучшения их прочности, электрической и тепловой проводимости.

Прочность углеродных нанотрубок на порядки выше других волокон, обычно используемых в волокнисто-армированных композитах. Хорошая электрическая и тепловая проводимость углеродных нанотрубок также позволяет создавать проводящие полимеры для электронных применений, где традиционно используются металлы.