Соединяя углеродные нанотрубки друг с другом с помощью алмазной наковальни, мы сохраняем их уникальные свойства.

«Нанести тонким слоем, выдержать определённое время, а затем сильно прижать друг к другу» – примерно такие слова содержаться в инструкции к самому обычному клею. Ещё, как правило, там присутствует замечание, что неважно, как долго вы будете сжимать склеиваемые детали – решающее значение всё равно имеет сила сжатия, а вовсе не время. А как быть, если вам, к примеру, потребовалось «склеить» несколько углеродных нанотрубок? Хотя вначале стоит стоит ответить на вопрос, для чего это, собственно говоря, вообще нужно.

Схематическое изображение наноцилиндра, получающегося при сворачивании листа из атомов углерода. (Фото: Geoff Hutchison/flickr.com)

Схема эксперимента по сшиванию многостенных углеродных нанотрубок. (Источник: mipt.ru)

Изображение структуры многостенной углеродной нанотрубки. (Eric Wieser, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)

Углеродная нанотрубка представляет собой свёрнутый в цилиндр лист из атомов углерода. Диаметр такого цилиндра обычно составляет несколько нанометров, а вот длина может быть очень и очень большой, вплоть до нескольких сантиметров. Однако, помимо чисто структурных особенностей, нанотрубки примечательны разными интересными свойствами: они крайне прочные, хорошо проводят электрический ток и тепло, могут работать полупроводниками, внутрь них можно помещать отдельные атомы и даже целые молекулы. Поначалу, когда нанотрубки впервые создали в конце 90-х годов прошлого века, каких только удивительных применений им не пророчили. Но спустя какое-то время «нанотрубная» эйфория немного поутихла, столкнувшись с рядом проблем, скажем, как перенести уникальные свойства отдельных нанотрубок с микро- на макро-уровень?

Для того, чтобы можно было делать их в осязаемых количествах, было разработано немало способов «коллективизации» углеродных нанотрубок: например, их свивали друг с другом, сваривали при высоких температурах или заключали внутри полимерных матриц. А совсем недавно исследователи из четырёх московских институтов предложили ещё один интересный способ заставить нанотрубки работать как одно целое. Помните про «сильно прижать друг к другу»? Примерно таким способом можно склеить вместе и нанотрубки, однако здесь есть несколько нюансов.

Во-первых, при подобной склейке возникают ковалентные связи между атомами соседних наночастиц, что хорошо в плане физической склейки двух трубок, но плохо в плане сохранения их свойств, поскольку ковалентные связи разрушают поверхность и нанотрубка теряет свои уникальные свойства. Во-вторых, «сильно прижать» – значит, создать давление порядка 50 Гпа (примерно 500 000 атм.), что само по себе составляет отдельную трудность.

Успешно разрешить эти проблемы удалось группе исследователей из четырёх московских институтов: ТИСНУМ, МФТИ, МГУ и МИСиС. Чтобы склеить нанотрубки, их поместили в специальную сдвиговую камеру с алмазными наковальнями. Принцип работы камеры состоит в следующем: между двумя алмазами помещается исследуемый материал, который затем сжимается под действием внешнего давления. Однако это не единственная возможность прибора – он ещё может деформировать объект за счёт вращения наковален, фактически «сжать и протереть». Как оказалось, сжатие и сдвиг по-разному влияют на структуру нанотрубок. Давление сжимает трубки и сложным образом меняет геометрию их стенок, а сдвиговое напряжение переводит атомы углерода в новое состояние (из sp2- в sp3-гибридизацию), в результате чего они склеиваются с такими же атомами соседней трубки.

А вот чтобы сохранить при склеивании свойства наночастиц, исследователи пошли на хитрость. Дело в том, что существуют такие нанотрубки, которые устроены по принципу матрёшки: внутри большой нанотрубки находится трубка поменьше, в которую вложена другая, ещё поменьше, и т. д., и т. д. – в итоге у нас получаются так называемые многостенные углеродные нанотрубки. Эксперименты показали, что если в алмазную наковальню помещать такие многостенные трубки, то при их сжатии «склеивается» только внешний слой, а внутренние после снятия давления восстанавливают свою форму, тем самым сохраняя свои свойства.

У многостенных нанотрубок есть ещё одна приятная особенность – они дешевле в производстве по сравнению с одностенными, несмотря на, казалось бы, более сложную структуру. По словам исследователей, созданный ими материал может стать полезным в тех областях, где критически важна прочность объекта в жёстких окружающих условиях, например, в аэрокосмической отрасли.

Полностью результаты исследований опубликованы в Applied Physics Letters.