Механические свойства углеродных нанотрубок

Нанотрубка (углеродная или неуглеродная) представляет собой один скрученный в полный цилиндр графеновый лист (однослойная). Нанотрубки могут быть и многослойными, т.е. представлять собой несколько скрученных листов и иметь следующие типы структур: «матрешка», рулон (свиток), папье-маше. Все подобные образования относятся к табулярным (трубчатым) структурам, но многослойные образования могут иметь также округлую форму (онионы), в сечении напоминающем луковицу.

Прочность нанотрубок исследовали при испытании на сжатие. Было найдено, что перед тем, как разрушиться они могут оказаться согнутыми. Толстостенные трубки сгибались, тогда как тонкостенные имели тенденцию к разрушению или перелому. Были оценены напряжения, необходимые для того, чтобы получить изгиб или разрушение, и найдены величины, находящиеся в диапазоне 100-150 ГПа. Эти оценки показывают, что нанотрубки имеют прочность на сжатие по крайней мере в 100 выше, чем любое другое известное волокно.

Были проведены исследования углеродных нанотрубок, подвергнутых большим изгибным напряжениям, с помощью атомносиловой микроскопии. Было обнаружено, что такие трубки можно согнуть повторно на большие углы без их нарушения. Были идентифицированы два типа поведения: регулярные сгибы и более сильные сгибы, содержащие большие деформации. Появлявшиеся очень резкие перегибы были отнесены к постоянным дефектам, хотя в некоторых случаях наблюдались сильнодеформированные трубки не имеющие явного повреждения. Эти эксперименты дают дополнительное доказательство экстраординарной эластичности нанотрубок.

Углеродные нанотрубки намного жестче всех известных материалов. Исследования показали возможность работы нанотрубок при больших напряжениях во время зондирования. Гибкость графитовых цилиндров дает возможность трубкам выдерживать экстремальные деформации без разламывания и во многих случаях после таких деформаций возвращаться в исходное состояние неповрежденными. Это отличает их от обычных углеродных волокон, которые намного более чувствительны к разрыву при изгибе или скручивании.

Такие уникальные возможности нанотрубок, несомненно, приведут к активному их использованию. Уже сейчас нанотрубки с большим успехом используются как острия в сканирующих зондовых микроскопах не только для топологического изображения, но и для химического изображения, и исследования взаимодействий между органическими макромолекулами. Жесткость нанотрубок может открыть возможность их использования для зондирования наномира.