 Углеродные нанотрубки широко известны своей прочностью - по крайней мере в 30 раз прочнее, чем кевлар, по некоторым оценкам. При смешивании с легкими полимерами, такими, как пластмасса и эпоксидная смола, крошечные трубки укреплял материал, на примере арматуры в блоке бетона, обещая легкие и прочные материалов для самолетов, кораблей, автомобилей и даже спортивного оборудования.
В то время как такие полимерные нанокомпозиты углеродных нанотрубок привлекли огромный интерес научно-исследовательского сообщества, у группы ученых теперь есть доказательства того, что другая нанотрубка, сделанная из нитрида бора, может предложить еще больше силы на единицу веса.
Нитрид бора, подобно углероду, может образовывать листы толщиной в один атом, которые прокатываются в цилиндры для создания нанотрубок. Сами по себе нанотрубки нитрида бора являются почти такими же прочными, как углеродные нанотрубки, но их реальное преимущество в композиционном материале исходит от того, что они сильно прикрепляются к полимеру.
Самым слабым звеном в этих нанокомпозитах является интерфейс между полимером и нанотрубками. Если сломать композит, то оставшиеся нанотрубки будут иметь чистые поверхности, без каких-либо застрявших кусков полимера еще застряли на них. Чистый разрыв означает, что соединение между трубками и полимерами разрывается.
Исследователи разработали новый способ испытания на прочность связи нанотрубок и полимера. Они зажали нанотрубки нитрида бора между двумя тонкими слоями полимера и некоторые из нанотрубок оставили торчать. Они выбраны только трубки, которые торчали прямо из полимера, а затем приварили нанотрубку к наконечнику крошечного консольного луча. Исследователи применили силу на балке и увеличивали силу натяжения на нанотрубке, пока она не была оторвана от полимера.
Исследователи обнаружили, что сила, необходимая для разрывания нанотрубок, сначала увеличивается с длиной нанотрубок, но потом стабилизируется. Поведение является признаком того, что связь между нанотрубкой и полимера нарушается в трещине, которая формируется, а затем распространяется.
Исследователи проверили две формы полимера: эпоксид и метилметакрилат - тот же самые материал, используемый для оргстекла. Они обнаружили, что интерфейс эпоксида-бора в нанотрубках был сильнее, чем интерфейс метилметакрилата-нанотрубок. Они также обнаружили, что в обоих нанотрубках сила связывания была выше, чем у углеродных нанотрубок – на 35 процентов выше, для метилметакрилата и примерно на 20 процентов выше для эпоксида
Нанотрубки нитрида бора, вероятно, сильнее связываются с полимерами из-за способа расположения электронов в молекулах. В углеродных нанотрубках все атомы углерода имеют равные заряды в их ядре, так что доля электронов в атомах является одинаковой. В нитриде бора, атом азота имеет больше протонов, чем атом бора, так что он присваивает больше электронов в связи. Неравномерное распределение заряда приводит к более сильному притяжению между нитридом бора и полимерными молекулами, как проверено моделированием молекулярной динамики, выполненной исследователями.
Нанотрубки нитрида бора также имеют дополнительные преимущества по сравнению с углеродными нанотрубками. Они более стабильны при высоких температурах, и они могут лучше усваивать нейтронное излучение, что является полезным свойством в экстремальных условиях космического пространства. Кроме того, нанотрубки нитрида бора являются пьезоэлектрическими, что означает, что они могут генерировать электрический заряд при растяжении. Это свойство означает, что материал обладает сбором энергии, а также возможностью зондирования и стимулирования.
Основным недостатком нанотрубок нитрида бора является стоимость. В настоящее время они продаются по цене около $1000 за грамм, по сравнению с $10-20 за грамм для углеродных нанотрубок. Исследователи надеются, что цена снизится, отметив, что углеродные нанотрубки были такими же дорогими, когда они были впервые разработаны. Новые нанотрубки могут применяться для создания полимерных композитов в аэрокосмической промышленности.
|
