Физики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского установили, что объединение многослойных нанотрубок в плотные жгуты существенно меняет их поведение при механической нагрузке. Их поперечное сжатие резко уменьшается почти вдвое, а продольная жёсткость остаётся практически неизменной. Результаты этого исследования помогут инженерам создавать сверхлёгкие и суперпрочные материалы (например, для корпусов ракет, бамперов автомобилей или небьющейся гибкой электроники).
Особое значение для исследования имело семейство нанотрубок с хиральностью (m,2m). Хиральность показывает, под каким углом свёрнута атомная сетка графена, когда образуется нанотрубка.У нанотрубок этого типа атомный рисунок одинаково повторяется вдоль оси независимо от диаметра. Благодаря этому атомные решётки разных стенок можно точно согласовать между собой и построить многоатомные жгуты из нанотрубок с правильной геометрией. В частности, были рассчитаны системы, содержащие до 6804 атомов.
Исследователи рассмотрели нанотрубки с внутренним диаметром от 2 до 5 нм и различным числом стенок, а также сравнили их характеристики по отдельности и в составе жгутов. Такой подход позволил оценить, как взаимодействие между нанотрубками влияет на их механические свойства, в том числе на коэффициент Пуассона – показатель того, насколько материал деформируется в поперечном направлении при растяжении, и модуля Юнга – характеристику того, насколько сильно материал сопротивляется растяжению.
Расчёты показали, что объединение нанотрубок в жгут повышает энергетическую стабильность системы и значительно уменьшает поперечную деформацию при растяжении. Для отдельных нанотрубок коэффициент Пуассона находился в диапазоне 0,24–0,30, тогда как для жгутов – 0,11–0,16.
Как показали расчёты, объединение в жгут по-разному сказывается на жёсткости. В одних случаях (тонкие трубки) модуль Юнга снижается из-за межтрубного проскальзывания, в других (толстые многослойные) – жёсткость жгута сохраняется на уровне одиночной трубки.
По словам учёных, ключевым результатом работы стало то, что исследователи смогли проследить, как меняются свойства нанотрубок при переходе от отдельных структур к плотно упакованным жгутам.
Раньше механические свойства отдельных нанотрубок изучались с помощью очень точных, но ресурсоёмких квантово-механических методов, а жгуты из нанотрубок – с помощью более быстрых, но приближённых классических методов.
«Мы использовали метод, который сочетает точность квантовых расчётов с возможностью моделировать большие системы. Объектами исследования являлись нанотрубки с особой геометрией – их слои ложатся друг на друга идеально, как детали конструктора. Это позволило нам впервые сравнить свойства одиночных нанотрубок и их плотных жгутов и увидеть, как именно соседство трубок влияет на их прочность и упругость», – рассказывает соавтор исследования, доцент кафедры радиотехники и электродинамики Владислав Шунаев.
Полученные результаты могут быть наиболее востребованы при создании высокопрочных и лёгких композитных материалов для аэрокосмической, автомобильной и спортивной индустрии, а также при разработке нового поколения гибкой электроники и датчиков. Учёные определили конкретные параметры нанотрубок – диаметр 4–5 нм и три стенки, – которые дают сочетание высокой жёсткости и устойчивости к деформациям.
Исследование поддержано грантом № 25-29-00963 Российского научного фонда. С его результатами можно ознакомиться в журнале Diamond and Related Materials.
Текст: Альфия Тимошенко
Фото: Дмитрий Ковшов
На фото: Авторы научного исследования: руководитель гранта – заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики Ольга Евгеньевна Глухова, доцент кафедры радиотехники и электродинамики Шунаев Владислав Викторович, ассистент кафедры радиотехники и электродинамики Петрунин Александр Алексеевич
Источник: Минобрнауки России
