Наноразмер имеет значение

Химикам удалось с помощью комбинации разных видов углеродных нанотрубок создать материал, расширяющийся в поперечном направлении при его растягивании. Если бы из него делались винные пробки, то штопор для их откупоривания был бы бесполезен: при попытке вытянуть пробку она лишь ещё сильнее прижималась бы к стенкам бутылочного горлышка. Более того, учёным удалось построить модель, предсказывающую механические свойства нового наноматериала. Теперь вещества с нужными механическими свойствами можно делать хоть по заказу.

Большинство материалов, используемых нами в быту, при продольном растяжении сжимаются в поперечном направлении. Растягивая резиновый бинт, легко увидеть, как он становится тоньше. Физики измеряют это свойство величиной, называемой коэффициентом Пуассона, – пропорцией относительных величин расширения и сжатия в поперечном и продольном направлении. У «нормальных» веществ коэффициент Пуассона положителен, а его типичные значения составляют несколько десятых. Например, у стали он равен 0,3, а упомянутой уже резины – чуть меньше 0,5; собственно, больше 0,5 он быть и не может – такие материалы увеличивали бы при растяжении собственную плотность и стали бы неустойчивы.

Тем не менее существуют так называемые ауксетические материалы, у которых эта величина отрицательна.

Их известно очень немного – например, кожа, покрывающая коровье вымя, некоторые виды минералов, а по некоторым данным, и живая костная ткань. К учёным осознание важной роли таких материалов в быту пришло лишь в последние десятилетия, и многие синтетические ауксетики были созданы на основе полимерных пенок. Они применяются как губки, упаковочный материал и даже в бронежилетах. К ауксетикам относится и знакомый любителям спортивной обуви Gore-Tex.

Тем не менее ещё задолго до создания Gore-Tex и даже появления теории упругости люди уже использовали материалы с необычным коэффициентом Пуассона. Пример – луб пробкового дерева, у которого эта величина хоть и положительна, но очень невелика. Все знают, как трудно засунуть пробку обратно (лёгкость, с которой пробку можно протолкнуть в бутылку в отсутствии штопора не в счёт – она объясняется расширением горлышка книзу), однако благодаря небольшой величине коэффициента Пуассона пробка при этом не слишком удлиняется.

В то же время небольшого значения этой величины у пробки оказывается достаточно, чтобы более или менее легко вынуть пробку штопором: растягиваясь, она чуть-чуть сжимается. Кстати, именно из-за этого штопор не должен быть слишком жёстким: хороший штопор пружинит, растягивается и вместе с тем растягивает пробку по всей её длине. Пробка из-за этого по всей длине становится чуть-чуть тоньше, что и помогает её вытянуть.

Ученые из США и Бразилии обнаружили, что коэффициент Пуассона для бумаги, сотканной из углеродных нанотрубок, может менять свое значение с положительного на отрицательное

– при правильном подборе соотношения в её составе многостенных и одностенных нанотрубок. При этом смешение двух компонентов при создании наноуглеродной бумаги значительно увеличивает её твердость, прочность и упругость. Статья с результатами работы исследователей вышла в последнем номере Science.

Химики обнаружили необычные свойства у бумаги из углеродных нанотрубок, полученной традиционным целлюлозно-бумажным способом – взвесь тонких нитей в воде упаривается до образования черной углеродной бумаги. Необычные свойства её проявляются при достижении массового содержания многостенных нанотрубок в 73%. При этом учёные смогли достоверно показать, что эти свойства не обусловлены оседающими на поверхности веществами: для этого они отожгли бумагу при 1000^o С в атмосфере аргона и заново измерили её механические характеристики.

А вот с объяснением большого отрицательного значения коэффициента Пуассона углеродной нанобумаги оказалось не все так просто. До этого подобное поведение наблюдалось у плоских нановолокнистых биологических мембран, структура которых обладает большой упорядоченностью. Однако в случае с нанобумагой значения коэффициента были существенно больше по абсолютному значению, к тому же об упорядоченности поверхности говорить не приходится.

Чтобы объяснить такое значительное и необычное изменению свойств материала, ученые построили специальную математическую модель, которая предсказывает знак и величину механических параметров материала, получающиеся при смешении разных нанотрубок в той или иной пропорции. Модель учитывает легкость растяжения и изгиба волокон и способна количественно показать, почему обычная целлюлозная бумага никогда меняет знак коэффициента Пуассона с положительного на отрицательный.

Учёные представили бумагу как наслоение зигзагообразных нанотрубок или их пучков, связанных с соседними слоями в местах изгибов нековалентными связями. Модель использует три основных качества наноуглеродной бумаги: все углеродные волокна лежат практически в одной плоскости, ориентированы в ней случайным образом и могут свободно удлиняться при выпрямлении, которое приводит к изменению угла между пересекающимися нанотрубками. Такую модель можно использовать не только для наноуглеродной, но и для обычной целлюлозной бумаги. Вероятно, она сможет предсказать коэффициент Пуассона и для плетеных корзинок, так как по структуре они мало чем отличатся от высокотехнологичного наноизделия.

Как выяснилось, такие похожие по строению материалы – обычная целлюлозная бумага, бумага из одностенных нанотрубок и бумага из многостенных нанотрубок – проявляют такие разные механические свойства из-за различий в деформациях, испытываемых при растяжении.

Для наглядности можно представить себе переплетение пучков волокон в виде раскосной системы распорок, применяемой в прочных несущих конструкциях – например, стеллажей для уже упомянутых винных бутылок. Такая конструкция обладает положительным коэффициентом Пуассона, если распорки могут изгибаться, если же они могут только удлиняться, тогда увеличение их длины приводит к отрицательному коэффициенту.

В нанометровом масштабе растяжение бумаги приводит к изменению угла между зигзагообразными пучками нанотрубок, что в принципе эквивалентно их изгибу. Это и является причиной увеличения коэффициента Пуассона.

Отрицательный же коэффициент возникает в нанобумаге из-за необычного сочетания силовых констант, описывающих работу нанотрубок на растяжение и на изгиб. Важное значение в нанометровом масштабе имеет именно трубчатая форма нановолокон и степень сцепления между стенками одностенных трубок. Подсчёт этих констант, а также учёт в модели слабости контактов между одностенными и многостенными нанотрубками и слабости взаимодействия между различными слоями многостенных нанотрубок и приводят к отрицательному коэффициенту Пуассона.

Модель также подсказывает, что аномальные свойства нанобумаги будут проявляться тем сильнее, чем больше слоёв в составляющих из многостенных нанотрубках: только их внешние стенки значимо влияют на силовую константу удлинения углеродных пучков.

Так что, регулируя количество слоёв в трубках, можно сделать коэффициент Пуассона таким, каким нам нужно (впрочем, меньше –1 он также быть не может).

Делать из новой нанобумаги винные «суперпробки» учёные пока не планируют. По их мнению, новые материалы могут найти существенно более широкое применение. Например, в сенсорных системах, использующих удлинение материала при адсорбции на его поверхности детектируемого химического компонента. Кроме того, необычные свойства нанобумаги пригодятся в создании уплотнительных материалов и искусственных мышечных тканей.