Техника - молодёжи 2008-05, страница 5
в нашем журнале в 1980 г.). Автор романа, лично приезжавший к Арцутано-ву, не забыл упомянуть на страницах книги имя автора изобретения. Однако недаром роман относится к жанру фантастики. Ещё Цандер, который в 1910 г. провёл расчёты применительно к лунному лифту, выяснил, что стальной канат для него должен иметь толщину в несколько километров. Умножив её на требуемую длину, Фрид- Артур Кларк (1917—2008) в гостях у Юрия Арцутанова (1982) рих Артурович сделал вывод, что на Земле нет столько стали... И вот недавно, в 1990-х гг., появилась возможность воплощения красивой идеи «в металле». Только не буквально в металле, а в углеродных нанотрубках — УНТ. Основное свойство УНТ с точки зрения применимости при изготовлении троса космического лифта — их исключительно высокая прочность при малом весе. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали (рис.1). Впрочем, пока в практически исследованных образцах «верёвок» из УНТ получены существенно более низкие значения. Рис.1. Зависимость механического напряжения от относительного удлинения для одностенной УНТ и высокопрочной стали Тем не менее по расчётам американских специалистов, 200 тыс. км «нано-троса», необходимые для реализации одного из проектов лифта, будут весить всего 1800 кг. Сравните: в России несколько лет назад изготовили трос из очень прочного «макроматериала» — кевлара. При длине 20 км и диаметре 3 мм трос весит 70 кг. По сегодняшним меркам — чудеса лёгкости! Но нетрудно пересчитать: 200 тыс. км такого троса будут весить 700 т. А тут — 1800 кг... Есть и другие подсчёты, дающие менее ошеломляющий контраст с «обычными» материалами, но и их результаты впечатляют. Вот так и получается: путь к достижению длин порядка 107 (расстояние до геостационарной орбиты — 3,6 х 107 м) начинается с нанораз-мера, то есть с 10~э. И опять тот же вопрос: но почему? Надо отметить, что УНТ не были предсказаны теорией, хотя теперь понятно, что это можно было сделать. Их сначала получили практически, а теперь идёт изучение их свойств. И их беспрецедентная прочность получает интереснейшие объяснения. Одностенную УНТ можно представить себе как свёрнутую в трубку часть плоскости, составленной шестиугольными ячейками, в вершинах которых находятся атомы углерода. Конечно, в действительности нанотрубки изготавливают совсем по-другому, но для выяснения их свойств удобно пользоваться таким описанием. Поскольку «резать» и «сворачивать» графитовую плоскость можно под разными углами по отношению к ориентации шестиугольников, существует много типов УНТ, причём геометрия влияет на механические, электрические и другие свойства трубок. На рис. 2 изображены так называемые Рис.2. Два типа УНТ:«зубчатая»(а) и«зигзаг»(б). Существуют и другие типы УНТ «зубчатая» (а) (другое название — «кресло») и «зигзагообразная» (б) УНТ. Согласно расчётам, критический уровень деформации одностенных УНТ составляет 5-6%, и это согласуется с имеющимися на сегодня экспериментальными данными. Но есть все основания ожидать, что истинный предел прочности нанотрубок гораздо выше. В расчётах основное внимание уделялось равновесным (в термодинамическом смысле) характеристикам деформированных нанотрубок. Дефект — в нашем случае топологический дефект структуры УНТ — образуется тогда, когда состояние «с дефектом» становится термодинамически более выгодным, чем бездефектное. Вот из этих соображений и была получена величина 5-6%, при превышении которой в трубке образуются дефекты, и она быстро разрушается. Но, наряду с равновесными характеристиками, очень важна и динамика образования дефектов. Для их возникновения недостаточно упомянутой «термодинамической выгодности». Необходимо ещё преодолеть активационный энергетический барьер, отделяющий состояние «без дефекта» от состояния «с дефектом». Если его значение достаточно велико, то даже при превышении критического уровня деформации УНТ будет сохранять свою структуру, хотя и окажется при этом в термодинамически метастабильном состоянии. Детальные расчёты активационного барьера в нанотрубках различного типа были выполнены американскими физиками из университета штата Северная Каролина. Они сделали это для так называемого «дефекта 5-7-7-5», возникновение которого под действием осевого растяжения УНТ было выявлено несколько лет назад профессором Б. Якобсоном. Дефект образуется в результате поворота одной ковалент-ной связи на 90° (так называемая трансформация Стоуна-Уэльса), при этом в шестиугольной структуре стенки нанотрубки появляются два пятиугольника и два семиугольника (на рис. 2 трансформированные связи показаны пунктиром, а четыре ячейки «дефекта 5-7-7-5 закрашены). Выяснилось, что энергия активационного барьера остаётся очень большой даже при превышении «термодинамического предела» 5-6%. Так, например, в «зубчатой» нанотрубке при деформации 15 % величина барьера составляет 2 эВ, а в «зигзагообразной» и того больше: 4 эВ! Таким образом, гексагональная стенка УНТ характеризуется беспрецедент- t Однослойная нанотрубка Удлинение (%) 3 |
