Углеродные нанотрубки легендарны по своей силе - по некоторым оценкам, по меньшей мере в 30 раз прочнее пуленепробиваемого кевлара. При смешивании с легкими полимерами, такими как пластмассы и эпоксидные смолы, крошечные трубки усиливают материал, как арматура в бетонном блоке, обещая легкие и прочные материалы для самолетов, космических кораблей, автомобилей и даже спортивного инвентаря.
Хотя такие нанокомпозиты углеродных нанотрубок и полимеров вызвали огромный интерес у исследователей материалов, у группы ученых теперь есть доказательства того, что другая нанотрубка, изготовленная из нитрида бора, может обеспечить еще большую прочность на единицу веса. Они публикуют свои результаты в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Нитрид бора, как и углерод, может образовывать листы толщиной в один атом, которые скручиваются в цилиндры для создания нанотрубок. Сами по себе нанотрубки из нитрида бора почти так же прочны, как углеродные нанотрубки, но их реальное преимущество в композитном материале заключается в том, что они прочно прилипают к полимеру.
«Самым слабым звеном в этих нанокомпозитах является поверхность раздела между полимером и нанотрубками», - сказал Чанхонг Ке, доцент кафедры машиностроения Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне. Если вы сломаете композит, оставшиеся торчащие нанотрубки будут иметь чистую поверхность, в отличие от кусочков полимера, которые все еще прилипли к ним. Чистый разрыв указывает на то, что связь между трубками и полимером нарушена, отметил Ке.
Выщипывание нанотрубок
Ке и его коллеги разработали новый способ проверки прочности соединения нанотрубка-полимер. Они поместили нанотрубки из нитрида бора между двумя тонкими слоями полимера, при этом некоторые нанотрубки остались торчать наружу. Они выбрали только те трубки, которые торчали прямо из полимера, а затем приварили нанотрубку к кончику крошечной консольной балки. Команда приложила усилие к балке и тянула нанотрубку все сильнее, пока она не отделилась от полимера.
Исследователи обнаружили, что сила, необходимая для отрыва нанотрубки, сначала увеличивалась с увеличением длины нанотрубки, но затем стабилизировалась. Такое поведение является признаком того, что связь между нанотрубкой и полимером нарушается из-за трещины, которая образуется, а затем распространяется, сказал Ке.
Исследователи протестировали две формы полимера: эпоксидную смолу и полиметилметакрилат, или ПММА, который является тем же материалом, который используется для плексигласа. Они обнаружили, что интерфейс нанотрубок эпоксидной смолы и нитрида бора был прочнее, чем интерфейс ПММА-нанотрубки. Они также обнаружили, что обе прочности связывания нанотрубок полимер-нитрид бора были выше, чем те, о которых сообщалось для углеродных нанотрубок - на 35 процентов выше для интерфейса ПММА и примерно на 20 процентов выше для интерфейса эпоксидной смолы.
Преимущества нанотрубок из нитрида бора
Нанотрубки из нитрида бора, вероятно, сильнее связываются с полимерами из-за того, как электроны расположены в молекулах, объяснил Ке. В углеродных нанотрубках все атомы углерода имеют одинаковые заряды в ядре, поэтому атомы делят электроны поровну. В нитриде бора атом азота имеет больше протонов, чем атом бора, поэтому он захватывает больше электронов в связи. Неравное распределение заряда приводит к более сильному притяжению между нитридом бора и молекулами полимера, что подтверждается моделированием молекулярной динамики, выполненным коллегами Ке из группы доктора Сяньцяо Ванга в Университете Джорджии..
Нанотрубки из нитрида бора также имеют дополнительные преимущества по сравнению с углеродными нанотрубками, сказал Ке. Они более стабильны при высоких температурах и могут лучше поглощать нейтронное излучение, что является преимуществом в экстремальных условиях космического пространства. Кроме того, нанотрубки из нитрида бора являются пьезоэлектрическими, что означает, что они могут генерировать электрический заряд при растяжении. Это свойство означает, что материал обеспечивает сбор энергии, а также возможности обнаружения и срабатывания.
Основным недостатком нанотрубок из нитрида бора является стоимость. В настоящее время они продаются по цене около 1000 долларов за грамм по сравнению с 10-20 долларами за грамм углеродных нанотрубок, сказал Ке. Он с оптимизмом смотрит на то, что цена снизится, отмечая, что углеродные нанотрубки были столь же дорогими, когда они были впервые разработаны.
«Я думаю, что за нанотрубками из нитрида бора будущее в производстве полимерных композитов для аэрокосмической промышленности», - сказал он.