Nanotrubky a jiné útvary velikosti nanometrů nás fascinují zejména svými mechanickými vlastnostmi. Pevnost nanotrubek je stokrát větší než u oceli při mnohem menší hmotnosti. Jak jsme schopni takový malý útvar natáhnout, abychom zjistili, kolik vydrží?
Trhací stroj pro nanotrubky
Vědci sestavili zařízení (PDF 512 kB), které zcela nahrazuje v nanometrové škále běžné stroje pro zkoušení materiálů v tahu – takzvané trhačky. Nyní se jim ho podařilo zmenšit do té míry, že je možné průběh natahování pozorovat přímo pod elektronovým mikroskopem. Můžeme v podstatě zaznamenat přetržení nanotrubky v přímém přenosu. Samozřejmě nemusíme trhat jen nanotrubky či jiné makromolekuly, ale také organická vlákna jako např. DNA.
Jak přístroj vypadá a funguje?
Zkoušený vzorek se upevní do “čelistí”. V jedné čelisti se měří tahová síla, které je vzorek vystaven a druhá způsobuje ono natahování. Vzdálenost elektrod se mění pomocí tepelné dilatace (natahováním) části pohyblivé čelisti, která je pevně spojena s rámem. Jak se zvyšuje teplota, zvětšuje se vzdálenost jedné čelisti od druhé, a tím se se vzorek natahuje. Přístroj vyvine sílu až několika milinewtonů.
Sílu působící na vzorek měří kapacitní senzor zatížení na pevné čelisti. Funguje tak, že při změně napětí (mechanického – což je síla vztažené na plochu) se změní elektrické vlastnosti činného prvku senzoru, a tak se změní i kapacita kondenzátoru z níž určujeme sílu, kterou je vzorek natahován s přesností na nanonewtony.
Velkým problémem při testování nanomateriálů je přichycení vzorků. Manipulace s nimi je velmi obtížná. Vědci pro ni použili manipulátor, který je součástí elektronového mikroskopu a paprsek iontů, jímž byli schopni testovaná materiál uříznout na požadovanou délku. Potom je k čelistím připevnili nanesením vrstvičky platiny.
Změříme všechny nanomateriály
Když můžeme změřit pevnost v tahu libovolných materiálů v rozměrech nanometrů, budeme moci vybrat ty pravé pro dané použití. Při konstrukci jakýchkoliv zařízení se hledí na vlastnosti materiálů, ale v nanotechnologii zatím tvoříme z toho, co právě máme a až poté hledáme, na co by se vyrobený nanoútvar dal použít. Když však budeme znát všechny důležité vlastnosti nanomateriálů, budeme si moci konstruovat tak, jak je běžné v milimetrových a větších měřítcích. Nejdříve navrhovat účel a až potom provedení. Změní se celý náš způsob uvažování o nanovýrobě a vznikne nový průmysl. Budeme mít stroje, které budou umět manipulovat se shluky atomů stejně běžně, jako dnes obrábíme ocel. A uskutečníme oblíbenou vizi toho, že nanostroje přemění během několika hodin hromadu šrotu ve špičkový letecký motor nebo cokoliv jiného.