Необычные наноструктуры расширяются при растяжении

Интернациональная команда учёных обнаружила необычные свойства нанопластинок, состоящих из одностенных (single-walled nanotube — SWNT) и многостенных (multi-walled nanotube — MWNT) углеродных нанотрубок: к примеру, при растягивании материала в продольном направлении он начинал расширяться в поперечном.

Для сравнения: резиновый ластик при растягивании в центре становится тоньше. В то время как углеродные нанолисты с определённым количественным соотношением SWNT и MWNT утолщаются, если их потянуть за концы. Странные механические свойства проявлялись и при однородном сжатии – длина и ширина куска материала увеличивались.

Таким образом, получается, что коэффициент Пуассона (физическая величина, характеризующая упругие свойства материала) для этих нанолистов может варьироваться (с изменением состава) и даже быть отрицательным.

Применение находки обязательно найдётся, уверен Рэй Бауман (Ray Baughman), директор Нанотехнологического института университета Техаса в Далласе (NanoTech Institute University of Texas at Dallas) и глава научной группы, сделавшей сенсационное открытие. Он и его коллеги известны читателям “Мембраны” по созданию промышленной наноткани и сверхсильных мышц из нанопряжи.

Байман считает, что “смешанные” нанолисты могут стать основой искусственных мышц, химических или механических сенсоров, частями самых разных механизмов и конструкций.

В статье, опубликованной в журнале Science, авторы рассказывают, что многостенные (9 слоёв, диаметр примерно 12 нанометров, длина около 200 микрометров) и одностенные (диаметр 1 нм, длина несколько микрометров) нанотрубки были получены методом химического осаждения из пара. Образцы материала представляют собой смесь двух видов микроскопических трубок (высушенную в вакууме водную суспензию).

В зависимости от состава коэффициент Пуассона варьировался от 0,06 до -0,2.

Сами учёные в пресс-релизе университета Техаса поясняют необычные свойства нанолистов (толщина порядка 50 микрометров) на примере полок для винных бутылок или крестового штакетника. Более или менее понятное объяснение наблюдаемого физического явления было придумано Бауманом в сотрудничестве с помощниками из других научных институтов и университетов.

Вот что получилось: если составляющие закреплены между собой не жёстко, то растяжение приводит к уменьшению угла (в продольном направлении) между трубками и, соответственно, поперечному сжатию материала. Если же угол остаётся неизменным (при увеличении содержания MWNT), но сами трубки могут растягиваться в длину, то наблюдается увеличение длины и ширины нанопластинки при растяжении (коэффициент Пуассона принимает отрицательные значения).

Бауман и его помощники определили, что “смешанные” нанолисты имеют в 1,6 раза большее отношение предела прочности к весу и в 2,4 раза большую жёсткость, чем куски материала, сделанные из какого-либо одного вида трубок.