Механические свойства углеродных нанотрубок

Материаловеды возлагают большие надежды на исключительно высокую прочность и жесткость нанотрубок, сочетающуюся с их повышенной упругостью. Высокая прочность ковалентной связи С-С (вспомним алмаз) и отсутствие дефектов структуры делает углеродные нанотрубки уникальным конструкционным материалом. Нанотрубки проявляют высокую жесткость на изгиб и вместе с тем большую гибкость. После сгибания на 90° они могут полностью восстанавливать свою форму. Их прочность в 60-100 раз выше, чем прочность хорошей стали, при этом они, в силу своей «ажурности», почти в 6 раз легче. Поэтому именно материал из углеродных нанотрубок рассматривается как основа троса космического лифта (рис. 4.7). Действительно, если взять не кабель, а нить из одиночной углеродной трубки, соединяющую Землю и Луну, то моток этой нити был бы с зернышко мака. Такие тросы из углеродных нанотрубок предлагают использовать в будущем для уникального моста через Гибралтарский пролив, соединяющего Испанию с Марокко.

Углеродные нанотрубки можно применять как наполнитель в композиционном материале.

Очень важен переход от нанотрубок к макроскопическому материалу. Китайские учёные изготовили пряжу из сверхдлинных (до 30 см) пучков углеродных нанотрубок. Авторы пряжи считают, что из соответствующей ткани можно будет делать бронежилеты или использовать её для защиты от электромагнитного излучения. Придумана технология получения прозрачной ткани из нанотрубок, которая может стать, в частности, основой гибкого и очень прочного дисплея.

Углеродные наноконтейнеры

Выше отмечалось, что полая структура фуллеренов и нанотрубок породила идею использовать их как наноконтейнеры для различных материалов, в том числе биологических или радиоактивных. Заполненные углеродные наночастицы можно применять в биологических сенсорах, в ядерной медицине. Важно уметь «по сигналу» открывать и закрывать крышечки на трубках. Углеродные нанотрубки, заполненные металлом, защищают его о окисления и играют роль отдельных наномагнитов, если металл - ферромагнетик. Они могут также защищать от окисления фуллерены, такие структуры называют «горошинами в стручке» (рис. 4.8). Более того, научились получать «горошины», которые сами содержат внутри металл. Заполненные металлом нанотрубки могут служить нанопроводами для электроники. Многослойную нанотрубку, заполненную металлическим галлием и открытую с одного конца, можно использовать как нанотермометр в труднодоступных местах.

Возможность использования углеродных нанотрубок как контейнеров послужила основанием для патента (Япония, 1998 г.) на способ хранения водорода - энергетически выгодно, но взрывоопасного топлива. Для его хранения не нужны огромные тяжелые баллоны, так как храниться он будет под давлением в нанотрубках, покрытых палладием или платиной. При необходимости водород можно извлекать за счет подогрева. На 500 км пробега автомобиля потребуется всего около 3 кг водорода.

Использование фуллеренов и нанотрубок в наноэлектромеханических системах (нэмс)

Нанотрубки и фуллерены рассматриваются в нанотехнологии как элементы конструкции различных наномеханизмов и нанороботов. На основе многослойной нанотрубки был создан первый электромеханический наномотор. Нанотрубка служила одновременно осью ротора и электропроводником к нему.

Однако более близкая перспектива использования углеродных нанотрубок в наноэлектромеханических системах (НЭМС) связана с зависимостью их электрических свойств от приложенного механического напряжения. Это позволит создать наносистемы, преобразующие механический сигнал в электрический и обратно.