Углеродные нанотрубки (УНТ) известны тем, что их считают удивительным материалом будущего, сверхпрочным, но одновременно лёгким, который найдёт применение в производстве самых разнообразных вещей, от гоночных велосипедов до компьютерных компонентов.
Но теперь, похоже, выясняется, что достаточно одного атома, находящегося не на своём месте, чтобы сократить прочность более чем наполовину. Это означает, что одно из наиболее удивительных применений углеродных волокон — научно-фантастический космический лифт, возможно, никогда не будет построен.
Прочность нанотрубок основывается на их атомной структуре, со стенками из всего одного слоя атомов углерода, включённых в гексагональную решётку. Теоретические исследования показывают, что одна УНТ может иметь предел прочности на разрыв в 100 гигапаскалей, что делает нанотрубки одним из самых прочных материалов, но попытки сплести нескольких нанотрубок в крупномасштабное волокно заканчивались созданием жгута с прочностью на разрыв только в 1 гигапаскаль.
Чтобы выяснить причину этого, Фэн Дин (Feng Ding) из Гонконгского политехнического университета (кит. 香港理工大學, англ. Hong Kong Polytechnic University) и его коллеги смоделировали УНТ с одним атомом, расположенным неправильно, что превратило два шестиугольника в пятиугольник и семиугольник, и создало перегиб в трубке. Они обнаружили, что этого простого изменения достаточно, чтобы снизить прочность УНТ до 40 гигапаскалей, причём эффект становится сильнее, если увеличить число смещённых атомов.
Модели показывают, что перегиб действует как слабое место в трубке, легко разрывая обычно сильные углерод-углеродные связи. Как только это происходит, связи в соседних шестиугольниках также разрушаются, разрывая всю трубку. Воздействие на сплетённые в волокно УНТ аналогично — когда одна УНТ разорвётся, нагрузка на остальные трубки увеличится, разрушая их в определённой последовательности.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что хватит всего лишь одного атома, чтобы ослабить всё состоящее из углеродных нанотрубок волокно, а поскольку процессы производства нанотрубок сейчас всегда сопровождаются дефектами, вы неизбежно в конечном итоге получите волокно с дефектной трубкой.
«Только УНТ очень высокого качества способны сохранить идеальную прочность, — говорит Дин. — Большинство серийных УНТ имеют множество дефектов, и высококачественные углеродные нанотрубки трудно производить в большом количестве».
Это плохая новость для людей, которые хотят построить космический лифт, трос, протянутый между Землёй и искусственным спутником, который обеспечит лёгкий доступ к космическому пространству.
Расчёты показывают, что такому тросу потребуется предел прочности на разрыв в 50 гигапаскалей, поэтому УНТ казались перспективным решением, но исследование Дина предполагает, что они не будут работать. «Если не случится больших прорывов в синтезе углеродных нанотрубок, то их использование для создания космического лифта будет чрезвычайно сложной задачей», — говорит он.
