Jak zjistíme mechanické vlastnosti nanotrubek?

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.

Zvětšit
Schéma trhacího zařízení

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.