Провода из углеродных нанотрубок

В 1985 году американские физики Ричард Смоли и Роберт Керл, совместно с британским химиком Харольдом Крото, работали в группе на кафедре химии и электротехники Университета Райса (Хьюстон, США). Там, анализируя состав атомных кластеров, которые образуются при испарении различных веществ лазером с последующим охлаждением в сверхзвуковом потоке, ученые открыли новые структурные формы углерода – фуллерены.

Исследуя спектры получаемых паров графита, они обнаружили пики максимальной амплитуды, которые соответствовали кластерам, образованным 60 и 70 атомами углерода. Было выдвинуто предположение, что такие пики отвечают молекулам С60 и С70, после чего возникла гипотеза, что молекула С60 обладает формой усечённого икосаэдра.

Такие полиэдрические (состоящие из пятиугольников и шестиугольников) кластеры углерода ученые назвали фуллеренами, а наиболее распространённые (из шестиугольников)молекулы С60 — бакминстерфуллеренами, в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера, знаменитого проектами куполов своих зданий с использованием пятиугольников и шестиугольников, являющихся здесь основными структурными элементами молекулярных каркасов всех открытых фуллеренов.

В 1986 году ученых удостоили Нобелевской премии по химии за это открытие.

В 1991 году в Японии были открыты длинные цилиндрические структуры из углерода, которые получили название углеродных нанотрубок.

Японский исследователь Сумио Иджима, занимаясь изучением осадка, получаемого на катоде при распылении графита в электрической дуге, заметил необычную структуру этого осадка. Он состоял из микроскопических нитей и волокон. Диаметр нитей не превышал нескольких нанометров, а их длина варьировалась от одного до нескольких микрон.

Вскоре, разрезав тонкую трубочку вдоль ее продольной оси, ученому удалось обнаружить, что она образована одним или несколькими слоями, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита, образованную шестиугольниками с расположенными в вершинах их углов атомами углерода.

Во всех случаях расстояние между слоями составляло 0,34 нм, то есть ровно столько же, сколько и между слоями в известном кристаллическом графите. Верхние концы этих трубочек закрыты многослойными полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шестиугольников или пятиугольников, напоминающих структуру половинки (полусферы) молекулы фуллерена.

Выглядит такая структура как трубка, полученная сворачиванием графеновой плоскости в цилиндр, однако таким способом (просто сворачиванием) нанотрубку не получить. Со временем ученые научились выращивать трубки большей длины, и с момента первых исследований длина выращиваемых трубок все время увеличивается.

В 1998 году ученым удалось вырастить двухмиллиметровую нанотрубку, а на данный момент экспериментально достигнута длина в несколько сантиметров. Углеродные нанотрубки являются исключительно синтетическим материалом, а в природе встречаются очень-очень редко.

Электрическая проводимость этого материала превосходит во много раз медь при том же весе, и если, например, заменить медные провода самолета на графитовые, сотканные из углеродных нанотрубок, то вес проводки удастся снизить в десять раз. Однако проводник из углеродных нанотрубок, свитых в нить, очень страдает, подвергаясь механическим воздействиям при использовании.

Исследователи уже добились в экспериментах проводимости, позволяющей проводу из нанотрубок, по весу равному медному, передавать ток с существенно меньшими потерями. Одна нанотрубка может пропустить через себя ток в тысячу раз больший, чем провод аналогичного сечения, выполненный из меди, но при свивании нанотрубок в провод, ничего подобного получить не удается в силу отсутствия идеального контакта между сплетенными нитями. Провода разрушались из-за омического нагрева.

Но группа учёных из Университета Райса, возглавляемая Юничиро Коно, предложила метод мокрого свивания волокна из нанотрубок, что в начале не привело их к конечной цели, ведь проводимость слегка недотягивала. Затем материаловеды свили провод сразу из нескольких разновидностей нанотрубок — с однослойными и с многослойными стенками.

В результате был получен провод толщиной в 20 мкм, горазда прочнее меди, и обладающий большей, чем медь, электропроводностью. Кроме того, была измерена электрическая устойчивость провода из углеродных нанотрубок, то есть максимально допустимый ток, при котором проводник еще не начинает снижать свои характеристики из-за перегрева и прочих факторов.

Нанотрубочный провод был испытан в различных средах, и лучше всего показал себя в азотной атмосфере. Худшие параметры были продемонстрированы в вакууме, где нанотрубочный провод не мог охлаждаться так же эффективно, как в других средах.

В результате измерений, характеристики провода превзошли все образцы, когда-либо испытывавшиеся до этого, и хотя сопротивление меди по площади сечения на порядок ниже, углеродный провод значительно легче. Именно поэтому нанотрубки показали проводимость в четыре раза выше на единицу массы провода, чем у меди.

Важно отметить, что обычно свободно висящие провода крайне слабы — в отличие от нанотрубочных, поэтому в них и присутствует стальная проволока, не позволяющая мягкому металлу, такому как алюминий или медь, провисать (смотрите - Конструкции проводов для ВЛ). А нанотрубки в этом просто не нуждаются, они и без того прочны, и их использование принесет ещё больший выигрыш в весе.

Авторы данной технологии считают, что это будет незаменимо в аэрокосмической отрасли, где проводов очень много, а их вес сказывается на лишнем потреблении дорогого топлива. Более высокая на стартовом этапе цена нанотрубок с лихвой будет компенсирована снижением массы самолётов и космических аппаратов.

В статье использована информация с сайта Школа для электрика - http://electricalschool.info