Разнообразие аллотропных модификаций углерода теперь уже никого не удивляет. Ещё в школе нас учили, что углерод может существовать только в виде аморфной сажи, графита и алмаза. Однако не так давно обнаружились фуллерены – полые молекулы в форме футбольных мячей, содержащие несколько десятков атомов C. Затем мир узнал углеродные нанотрубки – как одностенные, так и многостенные. После этого на арену вышел материал графен, также считающийся одной из самостоятельных форм существования атомов C в природе.
Сегодня, произнося приставку «нано-» осмысленно, большая часть населения Земли имеет ввиду именно углеродные нанотрубки или материал графен. Уникальное сочетание механических и электронных свойств этих материалов уже давно кружит головы адептов наноэлектроники, строителей космического лифта и разработчиков высокопрочных конструкционных материалов и текстильных тканей.
Казалось бы, куда уж дальше? Оказалось, есть куда.
Китайские ученые опубликовали в журнале Physical Review Letters статью, в которой описали процесс формирования так называемых колоссальных углеродных трубок (colossal carbon tubes, CCT).
Речь, конечно, не идёт о водопроводных трубах из углерода. Колоссальные углеродные трубки имеют диаметр около 40–100 микрон, а в длину достигают сантиметров. Но эти размеры превышают размеры уже ставших привычными углеродных нанотрубок в тысячи раз, что и позволяет назвать их колоссальными.
Руководил работами по созданию таких трубок профессор Хуйшэн Пэн, сотрудничающий с Национальной лабораторией в американском Лос-Аламаосе и Фуданским университетом в Китае. Процесс требует применения технологии осаждения из паровой фазы, которая включает в себя нагревание смеси этилена и парафинового масла до 850oС и пропускание её через кварцевый реактор трубчатой печи.
Такая технология, вообще говоря, стала уже довольно привычной для получения нанонитей, нановолокон и нанотрубок. Удивительные вещи открылись создателям методики после исследования структуры трубок с помощью электронной микроскопии высокого разрешения. И хотя размеры трубок позволяют изучать их и с помощью оптической микроскопии (заметить эти волокна можно даже невооружённым глазом), только благодаря электронной микроскопии ученым открылась истинная структура их стенок.
Как и следовало ожидать, полые трубки из легкого углерода, да еще и с полыми стенками, оказались невероятно легки. Их плотность соответствует плотности углеродной нанопены – порядка 10 мг/см3. Прочность же таких трубок на растяжение очень высока, около 7 ГПа, что превышает прочность волокон из УНТ сопоставимого размера.
В итоге колоссальные углеродные трубки оказались прочнее кевларового волокна в 30 раз, а основной текстильный материал, хлопок, превзойден по прочности в 200 с лишним раз.
Кроме того, трубки обладают эластичностью и могут хорошо растягиваться, что очень перспективно для применения их в создании ударопрочных материалов.
Колоссальные трубки также выделяются хорошей электропроводностью – около 103 См/см, что на порядок больше, чем у волокон из многостенных углеродных нанотрубок. При этом проводимость трубок растет с увеличением температуры, что означает полупроводниковый характер проводимости.
Создатели методики выращивания таких причудливых трубок из углерода уверены, что их творение сможет найти самое широкое применение в промышленности. Например, эти трубки могут использоваться для создания легких бронежилетов, при этом не исключено, что легкие и прочные жилеты будут больше похожи на нижнее белье. Композитные конструкционные материалы на основе трубок могут быть использованы для создания деталей и узлов машин, применение этих трубок возможно и в микроэлектронике.
При этом размеры индивидуальных колоссальных углеродных трубок соответствуют размеру хлопковых ворсинок, так что при переходе с хлопка на колоссальные углеродные трубки текстильной промышленности даже не придется менять технологию.
Впрочем, торопить события не стоит – сначала группа Пэна должна разобраться с механизмом роста и параметрами синтеза, влияющими на свойства и структуру трубок, а затем технологи возьмутся за разработку методики массового выращивания таких трубок. Только после этого в дело смогут вступать текстильщики.
Можно предположить, что к тому времени Хуйшэн Пэн сможет сделать свои колоссальные трубки еще более совершенными, что откроет дополнительные перспективы их применения.