Extrémně pružné nanotrubky

Nanotrubky jsou známé pro svou extrémní pevnost. Naproti tomu jejich pružnost je malá. Nyní se vědcům podařilo jednu nanotrubku natáhnout na téměř trojnásobek původní délky.

Natahovací nanotrubka

Zvětšit
Průběh "trhací zkoušky" nanotrubky včetně diagramu závislosti protékajícího proudu a prodloužení na čase
Credit: LLNL

Při jednom experimentu vědci zaznamenali, že se nanotrubka, kterou manipulovali, výrazně natáhla. Zdálo se jim to zvláštní, jelikož obvykle ji lze prodloužit o pouhých 6 % původní délky. Jev tedy blíže prozkoumali. Vytvořili 24 nm dlouhou nanotrubku rozlomením delší vícestěnné v elektronovém mikroskopu. Natahovali ji piezoelektrickým manipulátorem. Napětí mezi konci nanotrubky bylo 2,4 V a na začátku jí protékal proud 80 µA. Než praskla, byla dlouhá celých 91 nm. Tomu odpovídá relativní prodloužení 280 %. Za povšimnutí stojí také ohromné zmenšení průměru z původních 12 nm na finálních 0.8 nm. V okamžiku před porušením již nelze mluvit o nanotrubce, ale spíše o shluku uhlíkových atomů. Typická "plástvová" struktura nanotrubky byla ta tam a atomy byly uspořádány náhodně.

Čím to je, že obvykle mají nanotrubky tažnost 6 %, z teoretických výpočtů vyplývá 20 % a nyní dosáhneme 280 %? Může za to vysoká teplota. Průchodem proudu se zahřívá a vědci vypočetli, že by nanotrubka měla mít asi 2000 °C. Takovou teplotou se aktivují poruchy v mřížce, atomy mají velkou vlastní kinetickou energii, tudíž je velmi snadná difuze, vazba na původní mřížku je slabá, a tak je nanotrubka ochotná se deformovat. Natažením, či spíše rozpadem krystalické mřížky, se změní její elektrické vlastnosti. Zatímco na začátku na začátku jí protékal proud, před porušením klesnul pod hranici měřitelnosti. Vědci soudí, že tímto mechanickým namáháním nanotrubka přechází od elektrické vodivosti k polovodivosti.

Nanotrubky se více zahřívají uprostřed

S nečekanou průtažností nanotrubky okrajově souvisí i objev teorie, která vysvětluje, proč se při průchodu proudu delší nanotrubka poruší dříve než krátká. Není to tím, že by se krátká méně zahřívala, ale proto, že lépe odvádí teplo. Z jejích konců totiž teplo odchází výrazně snadněji než z válcové stěny. Tím se také vysvětluje, proč se při proudovém přetížení poruší nejdříve uprostřed.

K čemu to je v praxi

Výzkumníci navrhují přidat nanotrubky do konstrukční keramiky, kde by mohly zvýšit její houževnatost. Kromě toho je elektrické a tepelné vlastnosti předurčují k využití v elektronice. Při aplikaci změny elektrických vlastností při mechanickém namáhání jako výkonné členy, nebo jako pouhé pasivní propojky v procesorech. Opět se máme na co těšit.

Další informace

• Superplastic carbon nanotubes (19. 1. 2006) – Článek v Nature 439 oznamující objev superplastických nanotrubek
• Superheated nanotubes gain strength as they stretch, researchers find (18. 1. 2006) – Tisková zpráva k témuž
• Carbon nanotubes go superplastic (19. 1. 2006) – Článek o tomtéž na Nanotechweb.org