|
20.05.2002
10:51 |
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 уделялось равновесным (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 и динамика
образования дефектов. Для возникновения дефекта
не достаточно, чтобы энергия содержащей дефект
нанотрубки была ниже, чем у бездефектной.
Необходимо еще и преодолеть активационный
барьер Eact, отделяющий состояние без
дефекта от состояния с дефектом. Если величина Eact
достаточно 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
барьера Eact в 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 методы ab initio, а
также полуэмпирические и эмпирические методы. В
[3] показано, что хотя Eact и 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 % величина Eact составляет 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
- D.A.Walters et al., Appl. Phys. Lett., 1999, 74, p.3803
- M.F.Yu et al., Phys. Rev. Lett., 2000, 84, p.5552
- Q.Zhao et al., Phys. Rev. B., 2002, 65, p.144105
ПЕРСТ
Выскажите свое мнение на:
|
