Itin stiprūs anglies nanovamzdelių pluoštai

Anglies nanovamzdeliai, susukti, kad sudarytų ilgus siūlus primenančius pluoštus, gali pranokti net stipriausias neperšaunamas medžiagas rinkoje, tačiau nanovamzdelių pavertimas tokiomis medžiagomis pasirodė esąs sudėtingas. Dabar mokslininkai teigia, kad patobulino pluoštų gamybos metodą: jie gali greičiau ištraukti juos iš karštos krosnies, geriau susidėlioti nanovamzdelius ir žymiai pagerinti jų stiprumą. Nors anglies nanovamzdelių pluoštai vis dar gali būti gaminami tik mažomis partijomis ir tik trumpo ilgio, ekspertų teigimu, pluoštai yra daug žadantys ypač tvirtų, elastingų medžiagų, galimų pritaikymų nuo šarvų iki alyvos gręžimo.

Nano užsakymas: Tyrėjai patobulino anglies nanovamzdelių pluoštų verpimo metodus: jie priverčia nanovamzdelius sulygiuoti pluošte, todėl pluoštai yra tokie pat stiprūs kaip medžiagos, tokios kaip kevlaras, naudojamos neperšaunamose liemenėse. Be to, nanovamzdelių pluoštai, skirtingai nei įprastos virvės, gali būti surišti, nepažeidžiant jų stiprumo.

Anglies nanovamzdeliai yra vamzdžio pavidalo anglies molekulės, kurių sienelės yra vos vieno atomo storio. Jie yra labai stiprūs, laidūs elektrai ir sunku patikimai pagaminti. Daugelis mokslinių tyrimų grupių stengėsi sukurti ilgesnius anglies nanovamzdelius ir sudaryti juos į ilgesnes sruogas, kurios galėtų būti naudojamos kietiems audiniams ir net efektyvioms elektros linijoms. (Žr. 10 naujų technologijų.)

Kembridžo universiteto (Anglija) medžiagų mokslo profesorius Alanas Windle'as kartu su Natick Soldier tyrimų plėtros centro Masačusetse tyrėjais pagamino ir išbandė naujus nanovamzdelių pluoštus. Windle'as ir jo kolegos traukė nanovamzdelių pluoštus ir pastebėjo, kad silpnesni yra įtempti maždaug vieną gigapaskalį, todėl juos gramas po gramo galima palyginti su plienu.

Geresnio našumo anglies nanovamzdelio pluoštai sulūžo maždaug šešiais gigapaskaliais, o tai viršijo gamintojų pranešimus apie medžiagų, naudojamų neperšaunamose liemenėse, pavyzdžiui, kevlarą, pranašumus. Šie nanovamzdelių pluoštai atitiko didžiausius praneštus kelių stipriausių komerciškai prieinamų pluoštų Zylon ir Dyneema, taip pat naudojamų neperšaunamose liemenėse, stiprumą. Vienišas, itin stiprus nanovamzdelio pluoštas buvo iškritęs iš sąrašo ir prieš lūždamas pasiekė devynis gigapaskalius įtempimo – gerokai daugiau nei bet kuri kita medžiaga. Ankstesnis darbas su anglies nanovamzdeliais pagamino pluoštus, kurie atlaiko daugiausia tris gigapaskalius.

Multimedija

• Pažiūrėkite, kaip anglies nanovamzdeliai susukami į itin stiprų pluoštą.

Esame patenkinti rezultatais, bet nepasakyčiau, kad esame nustebę, sako Windle. Yra žinoma, kad atskirų nanovamzdelių savybės vis dar yra penkis kartus geresnės. Jis priduria: „Tai mane nuteikia optimistiškai. Dar yra daug kur tobulėti.

Norėdami pagaminti pluoštą, mokslininkai naudojo metodą, kurį Windle'o grupė pradėjo 2004 m., kai krosnis išgarina anglį ir išpučia nanovamzdelių srautą. Kai šie anglies nanovamzdeliai sugaunami ore ir sukasi aplink ritę, jie sudaro pluoštą, sudarytą iš milijardų molekulių, išdėstytų išilgai nanovamzdelio ilgio.

Reguliuodami krosnies temperatūrą ir reguliuodami pluošto suvyniojimo greitį, mokslininkai optimizavo procesą, todėl pluoštai buvo 0,3 karto stipresni nei kitų grupių pagaminti pluoštai. Tyrėjai teigia, kad pagerėjimas daugiausia susijęs su tuo, kad greičiau suvynioti nanovamzdeliai geriau susilieja ir glaudžiau susilieja. Jie taip pat pridėjo žingsnį, kad pluoštai būtų tankesni. Komanda paleido pluoštus per acetono dujas, kurios kondensavosi ant pluoštų ir sudarė skystį. Yra paviršiaus įtempimo efektas, kuris sutraukia nanovamzdelius, o tai padidina jų stiprumą, sako Windle.

Jis sako, kad labiausiai iš anksto pritaikyta šarvai. Jis atrodo daug žadantis, palyginti su komerciniais pluoštais. Tačiau ar tai tiks šarvams, niekas tikrai nežinos, kol nepagaminsime pakankamai pluošto, kad pagamintume audinį ir nepašautume į jį kulkos, sako Windle'as. Neseniai atliktas kompiuterinio modeliavimo tyrimas rodo, kad kulkos atsimuštų nuo anglies nanovamzdelio audinio, kurio storis vos šešis sluoksnius.

MIT medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Edvinas Thomasas sako, kad jei bandymai parodė, kad toks audinys tikrai atstumia kulkas, turite dangtelį ir netrukus jis bus su šarvais. Tačiau jis priduria, kad medžiagos dažnai blogai susidoroja su staigiomis jėgomis, o ne lėtesniu tempimu. Niekas nežino apie anglies nanovamzdelius, kurių įtempimas yra didelis, nes niekas jų netikrino.

Kitas pritaikymas gali būti naftos gręžimas. Kadangi anglies nanovamzdelių pluoštai yra ne tik stiprūs, bet ir atsparūs karščiui bei korozijai, jie gali būti naudojami grąžtuose ar vamzdžiuose, kad būtų galima susidoroti su tokiomis ekstremaliomis sąlygomis, sako Thomas.

Tačiau Thomas perspėja, kad Windle'as ir jo kolegos geriausius rezultatus pasiekė maždaug vieno milimetro ilgio pluoštams, matyt, todėl, kad kuo ilgesnė sruogelė, tuo didesnė tikimybė, kad joje bus nedidelių anglies gabalėlių ir kitų ją silpninančių defektų. Tomas sako, kad pakeitus apdorojimą – suvyniojimo greitį ir apdorojimą acetonu – anglies dalelės nepasikeis. Norėdami tai išspręsti, jie turi grįžti prie cheminės sintezės.

Kad kariuomenė tuo susidomėtų, jie norėtų turėti kilometrų, sako jis. Nepaisant to, nauji rezultatai suteikia jam daug vilčių.

paslėpti