Углеродные нанотрубки (Carbon nanotubes, CNT) являются достаточно удивительным материалом, обладающим целом рядом уникальных характеристик, что позволит в недалеком будущем использовать их для изготовления сверхлегких и сверхпрочных конструкций, новых типов компьютерных чипов и т.п. Одним из перспективных направлений использования нанотрубок считалось до последнего времени сооружение космического лифта. Однако, результаты исследований, проведенных недавно учеными из Гонконга, указывают на то, что распространенный дефект, связанный с отсутствием одного атома в структуре нанотрубок, сделает невозможным их использование в космическом лифте, которому так и суждено пока оставаться лишь уделом произведений из разряда научной фантастики.
Прочность углеродных нанотрубок является следствием их строения на атомарном уровне, они состоят из атомов углерода, соединенных в структуру типа трубы, стенка которой имеет одноатомную толщину. Теоретический предел прочности идеальной нанотрубки составляет 100 гигапаскаль (ГПа) на разрыв, однако, прочность реального волокна, сплетенного из большого количества длинных нанотрубок, не превышает значения в 1 ГПа.
Причину этого попытался выяснить Фенг Динг (Feng Ding) и его коллеги из гонконгского Политехнического университета (Hong Kong Polytechnic University). Ученые составили математическую модель углеродной нанотрубки с дефектом в виде одного отсутствующего атома. Структура такой нанотрубки превратилась из шестиугольной упорядоченной в структуру из чередующихся пятиугольников и семиугольников. Наличия только одного дефекта стало достаточно для того, чтобы прочность нанотрубки снизилась до уровня 40 ГПа, а увеличение количества дефектов привело к еще большему уменьшению прочности.
Семиугольная петля представляет собой самое слабое место в структуре нанотрубки. И под воздействием прикладываемого усилия нанотрубка начинает «рваться по шву» именно с места наличия семиугольной петли, разрывая дальше и связи между атомами в нормальных шестиугольных ячейках. В случае волокна, сплетенного из множества нанторубок, разрыв одной ведет к началу процесса лавинообразного разрыва и соседних нанотрубок, поскольку прикладываемое усилие перераспределяется на все нанотрубки.
И, результаты исследований показали, что наличие одного единственного лишнего атома или отсутствие атома в структуре нанотрубки является причиной снижения прочности всего волокна. А все нынешние процессы изготовления углеродных нанотрубок очень и очень далеки от совершенства и не могут обеспечить получения на выходе нанотрубок без единого дефекта.
Это является плохой новостью для людей, которые уже планируют строительство космического лифта, основу которого должен составлять очень прочный кабель, связывающий поверхность Земли и орбитальным спутником. Согласно предварительным оценкам прочность такого кабеля должна составлять не менее 50 ГПа, углеродные нанотрубки были самым многообещающим видом материала для этого кабеля. Но исследования Фенга Динга указывают на то, что пока люди не научатся производить идеальные нанотрубки большой длины и в больших количествах, о строительстве космического лифта можно всерьез и не задумываться.
Источник: