Наука и технологии России

Вход Регистрация

Перетрубить углерод

Сверхпрочные, ультралегкие и термостойкие нанотрубки… Но речь здесь вовсе не о давно известных материалах из углерода, как можно подумать. У них есть более интересные аналоги.

Крылатый осел

Сложно поверить, но век назад металлические самолеты вызывали недоверие, страх и смех. Воздухоплаватели с трудом отвыкали от этажерок из фанеры. Первый планер, целиком изготовленный из металла, появился в Германии в годы Первой мировой. Офицеры презрительно называли его «жестяным ослом» и «водосточной трубой»: слишком уж он был тяжеловесен и неповоротлив. Судьбоносным стало решение авиаконструктора Хуго Юнкерса перейти на легкий и прочнейший по тогдашним меркам сплав дюралюминий, открытый незадолго до того. В итоге Второй рейх обзавелся настоящими летающими танками. Война завершилась поражением Германии, но немецкая авиационная промышленность совершила невиданный прорыв.

Boeing-787_Dreamliner В Boeing-787 Dreamliner летает небольшое количество нанотрубок

В наши дни сплавы алюминия используют в космической и авиационной индустрии повсеместно. Доля алюминия составляет от 2/3 до 3/4 массы пассажирских самолетов и от 1/20 до 1/2 массы ракет. Однако вопрос, как снизить вес воздушного судна, не потеряв в надежности конструкции, по-прежнему остается актуальным. Поэтому у алюминия отвоевывают позиции другие материалы. Например, новейший Boeing 787 Dreamliner на 15% состоит из титана и более чем наполовину – из композитов на основе углеволокна. Есть в его обшивке и детали с примесью нанотрубок – протяженных цилиндрических структур, состоящих из одной или нескольких свернутых в трубу плоскостей, геометрически похожих на пчелиные соты. Но смогут ли нанотехнологии обеспечить будущее авиации?

Трубки не хрупки

Рынок нанотрубок из углерода составляет сотни миллионов долларов (прогноз на 2016 год – 3 миллиарда), ежегодный объем производства – несколько тысяч тонн. Для увеличения прочности ими насыщают композиты. Введение нанотрубок резко повышает качество бетона. Из нанотрубок, созданных в американском Кембридже, уже делают сверхпрочные волокна для бронежилетов, но для усиления прочности металлов (например, того же алюминия) их применяют весьма ограниченно. В чем тут дело? Только ли в цене – в общем-то, немалой? Или есть и другие причины?

«Идеальная (в смысле без дефектов, как, например, идеальный кристалл. – Ред.) нанотрубка ни в какие реакции вступать не должна. Однако ее торцы и дефекты поверхности могут быть химически активны, – рассказывает Сергей Перфилов, заведующий отделом Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Троицке. – Основная проблема получения композиционных материалов для системы алюминий–углерод заключается в том, что при температуре 300–350°С образуется карбид алюминия (Al4С3). Он тверд, но химически нестоек, легко разлагается во влажной атмосфере. Материал, содержащий большое количество карбида алюминия, со временем просто рассыпается».

Иными словами, алюминиевые материалы с углеродными нанотрубками при эксплуатации в экстремальных условиях попросту опасны. Однако есть и хорошая новость. Можно сделать нанотрубки из другого материала – нитрида бора (BN). Сейчас они малоизвестны, но могут стать популярными лет через 10. И дело не в механических свойствах: у нанотрубок из углерода эти свойства столь же незаурядны (и нитридборные, и углеродные нанотрубки в 30 раз прочнее, чем лучшие в этом отношении стали и титановые сплавы. – Ред.).

Нанотрубка

«В системе алюминий–бор–азот (например, в композитах алюминия с нанотрубками из нитрида бора. – Ред.) возможно образование нитридов и боридов алюминия, – продолжает Перфилов, – однако при более высоких температурах. Но главное в том, что это безопасные, устойчивые, твердые, прочные соединения. В этом плане нитридборные нанотрубки куда лучше углеродных. Однако реальность всегда сложнее наших умозаключений, так что окончательный ответ можно дать только с результатами экспериментов на руках».

Таким образом, хотя пока до конца не ясно, насколько нанотрубки вообще годятся для усиления сплавов, которые должны работать в экстремальных условиях, материалы из нитрида бора кажутся в этом смысле более надежными.

Чем еще отличаются эти трубки от углеродных? Например, отношением к электричеству.

С нитридборными трубками все просто – это стопроцентный диэлектрик. Насыщенные ими полиэтиленовые пленки – изоляторы с высокой теплопроводностью. Поэтому их можно использовать, скажем, для отвода тепла от процессоров в компьютерах, чтобы защитить их от перегрева.

С углеродными сложнее. Ответ на вопрос, проводят ли углеродные трубки электрический ток, не всегда однозначный. Нанотрубка представляет собой полый цилиндр со стенками из шестиугольников-сот. В случае углерода от ориентации этих сот зависит, будет ли трубка проводником или полупроводником. Как правило, эти два вида трубок после синтеза перемешаны. Как легко и надежно отделять их друг от друга, ученые пока не придумали.

Есть и другие различия. Углеродные трубки видимый свет поглощают, а нитридборные – рассеивают, так что ими можно смело армировать (то есть укреплять) прозрачные материалы. Скажем, добавка одного весового процента BN-нанотрубок увеличивает прочность полистирола на треть, никак не влияя на прозрачность.

Все это более чем прекрасно, но до индустриального применения трубок из нитрида бора еще далеко – 10, а то и 15 лет. Пока что они сравнимы по стоимости с золотом и платиной. Впрочем, когда-то так обстояли дела и с нанотрубками из углерода, но за два десятка лет их себестоимость упала в 100 раз: раньше один грамм стоил тысячи долларов, сейчас – десятки.

Мегагрант и наноцветы

В скором времени нанотрубки из нитрида бора и других редких веществ будут производить и в России. Лаборатория по изучению и синтезу неорганических наноматериалов недавно открылась в НИТУ «МИСиС». Основная часть коллектива – семь сотрудников. Руководит ими Дмитрий Гольберг, один из ведущих нанотехнологов мира, директор Центра нанотрубок Национального японского института материаловедения и профессор Университета Цукубы. В течение двух лет оснащение лаборатории будет идти на средства мегагранта Минобрнауки РФ в размере 150 миллионов рублей. Речь ученого пестрит замысловатыми терминами, но изящна и легка, словно предмет его изысканий – ажурные нанотрубки. В науке он ценит прежде всего артистизм: «Микроскопия сродни живописи. Снимки наноцветов из сульфида цинка (наноцветы из сульфида цинка, полученные Дмитрием Гольбергом, изображены на обложке журнала Applied Physics Letters. – Ред.) приносят мне даже больше удовлетворения, чем естественно-научные результаты. Я еще в школьные годы очень любил рисовать, лепить. Была дилемма: пойти в художественный вуз или в технический. В итоге выбрал МИСиС. Повлияли родители: и мать, и отец там учились, свадьбу сыграли вскоре после защиты диплома».

Трубочки фабричные

Цукуба, где исследует нанотрубки из нитрида бора и преподает профессор Гольберг, – городок в 50 километрах от Токио, территория фундаментальной и прикладной науки. Здесь расположены разнообразные исследовательские институты промышленных технологий и сельского хозяйства, а также космический центр. Из 200 тысяч жителей 7 тысяч – специалисты из-за рубежа. Даже большая часть постдоков и аспирантов Дмитрия Гольберга – китайцы и индийцы. Японцы после защиты магистерского диплома предпочитают уходить не в науку, а в бизнес.

В одной из лабораторий института в Цукубе расположена небольшая фабрика c девятью печами, выпускающая нанотрубки. В ней работают не только студенты, но и инженеры из японских фирм, проявляющих интерес к нанотехнологиям.

Самый необычный среди изготовленных в лаборатории предметов – мельчайший в мире термометр диаметром 80 нанометров, попавший в Книгу рекордов Гиннеса. Принцип его работы точно такой, как у обычного градусника, только в роли ртути выступает жидкий галлий, скользящий по нанотрубке. Подобное изобретение – не просто курьез: специалисты «Тойоты» уже использовали его для измерения нагрева внутренних деталей топливных элементов.

Объем производства нитридборных трубок в Цукубе – около грамма в день. Нитрид бора – материал синтетический, в природе не встречается. Получают его следующим образом. Смесь порошков оксида магния, оксида железа и бора за доли минуты нагревается в индукционной печи до 1500°С. Образуется оксид бора. Он вступает в реакцию с аммиаком, и на выходе получаются нитрид бора и вода – никаких вредных газов и примесей, вполне себе «зеленое» производство.

В МИСиС будут функционировать две печки: вертикальная индукционная для производства нанотрубок и горизонтальная электрическая для синтеза соединений, аналогичных графену, но состоящих не из углерода, а из нитрида бора и сульфидов молибдена и вольфрама. Ближайшая цель – создать образцы материалов, представляющих интерес для промышленности.

Делать предсказания пока рано, но есть шанс, что когда-нибудь помимо двух гигантских труб – нефтяной и газовой – бюджет России станут пополнять и трубки нанометрового размера.

Материал опубликован в журнале New Scientist № 7–8 (19), июль-август 2012.

РЕЙТИНГ

4.50
голосов: 2

Галереи

Нано-павильон Министерства образования и науки РФ

Экспозиция павильона посвящена проектам, поддержанным ФЦП "Исследования и разработки...", в том числе Курчатовскоого института. 1-3 ноября 2010 года. Междурнародный форум по нанотехнологиям в Москве

5 фото

Обсуждение

Новости

Hubble заснял полярное сияние на Юпитере

Наношарф защитит от папарацци

В Сибири создали универсальный маркер стволовых раковых клеток

Биохимики нашли естественное «противоядие» от болезни Альцгеймера

Стали известны детали самой успешной операции по пересадке лица

Система редактирования геномов оказалась эффективной против герпеса

Кстати,
на
52%
сократились...
Конференция IPS-21