Вуглецеві нанотрубки занадто слабкі, щоб підняти космічний ліфт

Вуглецева нанотрубка - це циліндрична структура з шестикутників.

Вуглецеві нанотрубки (УНТ) відомі тим, що їх вважають дивовижним матеріалом майбутнього, надміцним, але одночасно легким, який знайде застосування у виробництві найрізноманітніших речей, від гоночних велосипедів до комп'ютерних компонентів.

Але тепер, схоже, з'ясовується, що достатньо одного атома, що знаходиться не на своєму місці, щоб скоротити міцність більш ніж наполовину. Це означає, що одне з найбільш дивовижних застосувань вуглецевих волокон - науково-фантастичний космічний ліфт, можливо, ніколи не буде побудований.

Міцність нанотрубок ґрунтується на їх атомній структурі, зі стінками з усього одного шару атомів вуглецю, включених в гексагональну решітку. Теоретичні дослідження показують, що одна УНТ може мати межу міцності на розрив в 100 гігапаскалів, що робить нанотрубки одним з найміцніших матеріалів, але спроби сплести декількох нанотрубок у великомасштабне волокно закінчувалися створенням джгуту з міцністю на розрив тільки в 1 гігапаскаль.

Щоб з'ясувати причину цього, Фен Дін (Feng Ding) з Гонконгського політехнічного університету (кит. 香港理工大學, англ. Hong Kong Polytechnic University) і його колеги змоделювали УНТ з одним атомом, розташованим неправильно, що перетворило два шестикутники на п'ятикутник і семикутник, і створило перегиб у трубці. Вони виявили, що цього простого зміни достатньо, щоб знизити міцність УНТ до 40 гігапаскалів, причому ефект стає сильнішим, якщо збільшити число зміщених атомів.

Моделі показують, що перегин діє як слабке місце в трубці, легко розриваючи зазвичай сильні вуглець-вуглецеві зв'язки. Як тільки це відбувається, зв'язки в сусідніх шестикутниках також руйнуються, розриваючи всю трубку. Вплив на сплетені у волокно УНТ аналогічно - коли одна УНТ розірветься, навантаження на інші трубки збільшиться, руйнуючи їх у певній послідовності.

Отримані результати свідчать про те, що вистачить всього лише одного атома, щоб послабити все, що складається з вуглецевих нанотрубок волокно, а оскільки процеси виробництва нанотрубок зараз завжди супроводжуються дефектами, ви неминуче в кінцевому підсумку отримаєте волокно з дефектною трубкою.

«Тільки УНТ дуже високої якості здатні зберегти ідеальну міцність, - говорить Дін. - Більшість серійних УНТ мають безліч дефектів, і високоякісні вуглецеві нанотрубки важко виробляти у великій кількості».

Це погана новина для людей, які хочуть побудувати космічний ліфт, трос, простягнутий між Землею і штучним супутником, який забезпечить легкий доступ до космічного простору.

Розрахунки показують, що такому тросу буде потрібна межа міцності на розрив в 50 гігапаскалей, тому УНТ здавалися перспективним рішенням, але дослідження Діна припускає, що вони не будуть працювати. «Якщо не станеться великих проривів у синтезі вуглецевих нанотрубок, то їх використання для створення космічного ліфта буде надзвичайно складним завданням», - говорить він.