Учёные Института физики Саратовского университета установили, что объединение многослойных нанотрубок в плотные жгуты существенно меняет их поведение при механической нагрузке. Их поперечное сжатие резко уменьшается почти вдвое, а продольная жёсткость остаётся практически неизменной. Результаты этого исследования помогут инженерам создавать сверхлёгкие и суперпрочные материалы (например, для корпусов ракет, бамперов автомобилей или небьющейся гибкой электроники). О достижении учёных СГУ рассказывают портал «Наука.Mail.Ru» и портал «Поиск».
Особое значение для исследования имело семейство нанотрубок с хиральностью (m,2m). Хиральность показывает, под каким углом свёрнута атомная сетка графена, когда образуется нанотрубка. У нанотрубок этого типа атомный рисунок одинаково повторяется вдоль оси независимо от диаметра. Благодаря этому атомные решётки разных стенок можно точно согласовать между собой и построить многоатомные жгуты из нанотрубок с правильной геометрией. В частности, были рассчитаны системы, содержащие до 6804 атомов.
Исследователи рассмотрели нанотрубки с внутренним диаметром от 2 до 5 нм и различным числом стенок, а также сравнили их характеристики по отдельности и в составе жгутов. Такой подход позволил оценить, как взаимодействие между нанотрубками влияет на их механические свойства, в том числе на коэффициент Пуассона – показатель того, насколько материал деформируется в поперечном направлении при растяжении, и модуля Юнга – характеристику того, насколько сильно материал сопротивляется растяжению.
Расчёты показали, что объединение нанотрубок в жгут повышает энергетическую стабильность системы и значительно уменьшает поперечную деформацию при растяжении. Для отдельных нанотрубок коэффициент Пуассона находился в диапазоне 0,24–0,30, тогда как для жгутов – 0,11–0,16.
Как показали расчёты, объединение в жгут по-разному сказывается на жёсткости. В одних случаях (тонкие трубки) модуль Юнга снижается из-за межтрубного проскальзывания, в других (толстые многослойные) – жёсткость жгута сохраняется на уровне одиночной трубки.
По словам учёных, ключевым результатом работы стало то, что исследователи смогли проследить, как меняются свойства нанотрубок при переходе от отдельных структур к плотно упакованным жгутам.
Раньше механические свойства отдельных нанотрубок изучались с помощью очень точных, но ресурсоёмких квантово-механических методов, а жгуты из нанотрубок – с помощью более быстрых, но приближённых классических методов.
