Ученые СГУ выяснили, как сделать наноматериалы прочнее и устойчивее к нагрузкам

Физики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) установили, что объединение многослойных нанотрубок в плотные жгуты существенно меняет их поведение при механической нагрузке. Их поперечное сжатие резко уменьшается почти вдвое, а продольная жесткость остается практически неизменной. Результаты этого исследования помогут инженерам создавать сверхлегкие и суперпрочные материалы для корпусов ракет, бамперов автомобилей и гибкой электроники.

Особое внимание исследователей привлекли нанотрубки с хиральностью (m,2m). Хиральность показывает, под каким углом свернута атомная сетка графена, когда образуется нанотрубка. У нанотрубок этого типа атомный рисунок одинаково повторяется вдоль оси независимо от диаметра. Благодаря этому атомные решетки разных стенок можно точно согласовать между собой и построить многоатомные жгуты из нанотрубок с правильной геометрией. В частности, были рассчитаны системы, содержащие до 6804 атомов.

Авторы рассмотрели нанотрубки с внутренним диаметром от 2 до 5 нм и различным числом стенок, а также сравнили их характеристики по отдельности и в составе жгутов. Такой подход позволил оценить, как взаимодействие между нанотрубками влияет на их механические свойства, в том числе на коэффициент Пуассона — показатель того, насколько материал деформируется в поперечном направлении при растяжении, и модуля Юнга — характеристику того, насколько сильно материал сопротивляется растяжению.

Расчеты показали, что объединение нанотрубок в жгут повышает энергетическую стабильность системы и значительно уменьшает поперечную деформацию при растяжении. Для отдельных нанотрубок коэффициент Пуассона находился в диапазоне 0,24–0,30, тогда как для жгутов — 0,11–0,16.

Выяснилось также, что объединение в жгут по-разному сказывается на жесткости. В одних случаях (тонкие трубки) модуль Юнга снижается из-за межтрубного проскальзывания, в других (толстые многослойные) жесткость жгута сохраняется на уровне одиночной трубки. Ученые определили конкретные параметры нанотрубок — диаметр 4–5 нм и три стенки, — которые дают сочетание высокой жесткости и устойчивости к деформациям.

Ключевым результатом работы стало то, что исследователи смогли с помощью единого подхода проследить, как меняются свойства нанотрубок при переходе от отдельных структур к плотно упакованным жгутам. Раньше механические свойства отдельных нанотрубок изучались с помощью очень точных, но ресурсоемких квантово-механических методов, а жгуты из нанотрубок — с помощью более быстрых, но приближенных классических методов.

«Мы использовали метод, который сочетает точность квантовых расчетов с возможностью моделировать большие системы. Объектами исследования являлись нанотрубки с особой геометрией — их слои ложатся друг на друга идеально, как детали конструктора. Это позволило нам впервые сравнить свойства одиночных нанотрубок и их плотных жгутов и увидеть, как именно соседство трубок влияет на их прочность и упругость», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Владислав Шунаев.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации