К вопросу о прочности углеродных нанотрубок

Уникальные механические свойства углеродных нанотрубок (наряду с их электрическими свойствами) привлекают к себе внимание исследователей с момента открытия нанотрубок в 1991 году. Нанотрубки демонстрируют удивительное сочетание прочности и эластичности, обладая способностью обратимым образом реагировать даже на очень сильные внешние воздействия. По этой причине нанотрубки рассматриваются как наиболее перспективный кандидат для нового поколения чрезвычайно легких и суперпрочных волокон.

Эксперименты по изучению жесткости нанотрубок очень сложны. Действительно, не так-то просто изготовить качественные, не содержащие дефектов нанотрубки, да еще и умудриться при этом посжимать их и порастягивать. Согласно теоретическим расчетам, критический уровень деформации одностенных нанотрубок составляет (5? 6)%. В принципе это согласуется с немногочисленными имеющимися на сегодня экспериментальными данными [1,2]. Однако есть все основания ожидать, что истинный предел прочности нанотрубок на самом деле гораздо выше. Дело в том, что, с одной стороны, в экспериментах качество образцов не контролировалось должным образом. С другой стороны, в теоретических расчетах основное внимание уделялосьравновесным(в термодинамическом смысле) характеристикам деформированных нанотрубок, то есть выяснялось, при каком уровне деформации становится термодинамически выгодным образование топологических дефектов (энергия недеформированной нанотрубки минимальна в отсутствие дефектов, тогда как при деформации свыше критического уровня бездефектное состояние становится метастабильным). А при появлении дефектов нанотрубка под внешним воздействием разрушается быстрее.

Но наряду с равновесными характеристиками дефектных и бездефектных нанотрубок очень важна идинамикаобразования дефектов. Для возникновения дефекта не достаточно, чтобы энергия содержащей дефект нанотрубки была ниже, чем у бездефектной. Необходимо еще и преодолеть активационный барьерE_act, отделяющий состояние без дефекта от состояния с дефектом. Если величинаE_actдостаточно велика, то даже при превышении критического уровня деформации нанотрубка будет сохранять свою структуру, хотя и окажется при этом в термодинамически метастабильном состоянии.

Детальные расчеты активационного барьераE_actв нанотрубках различной хиральности были выполнены американскими физиками из North Carolina State University [3]. Они сделали это для так называемого "дефекта 5-7-7-5", который образуется в результате поворота одной ковалентной связи на 900 (при этом в "шестиугольной структуре" стенки нанотрубки появляются два пятиугольника и два семиугольника). Авторы использовали различные расчетные методики, включая методыab initio, а также полуэмпирические и эмпирические методы. В [3] показано, что хотяE_actи уменьшается при деформации, но довольно медленно и остается очень большой даже при превышении "термодинамического предела" (5? 6)%. Так, например, в "armchair" нанотрубке (5,5) при деформации 15 % величинаE_actсоставляет 2эВ, а в "zigzag" нанотрубке (9,9) — и того больше — 4эВ! Таким образом, гексагональная стенка углеродных нанотрубок характеризуется беспрецедентной устойчивостью и в состоянии выдерживать огромные механические нагрузки, на порядки превосходя по прочности все известные материалы.

Л. Опёнов

1. D.A.Walters et al., Appl. Phys. Lett., 1999, 74, p.3803
2. M.F.Yu et al., Phys. Rev. Lett., 2000, 84, p.5552
3. Q.Zhao et al., Phys. Rev. B., 2002, 65, p.144105