«Липкие нанотрубки» — ключ к технологиям будущего

Так называемое «испытание на отрыв» широко используется на производстве. Знание о величине усилия, необходимого, чтобы оторвать один материал от другого критически важно для промышленности, но для наноскопических структур подобных тестов не существует, — сказал Арвинд Раман, адъюнкт-профессор механической инженерии в Пердью.

Исследователи пытаются узнать о физике «прилипания», т.е. о том, как микроструктуры приклеиваются к другим материалам, чтобы производить всё от наноэлектроники до композитных материалов, от «нанопинцета» до медицинских приборов на нанотрубках, нанопроводки и биополимеров, таких как ДНК и протеины, — объяснил он.

Гибкие углеродные нанотрубки по-другому прилипают к поверхностям, нежели более крупные структуры из-за силы притяжения между отдельными атомами, называемой вандервальсовыми силами.

«Операции в наноскопической среде — это все равно что иметь повсюду липучки, из-за вандервальсовых сил, — сказал Раман. — Эти силы очень актуальны при таких размерах, поскольку нанометр — это ширина примерно 10 атомов».

Докторант механической инженерии Марк Страс сделал первые замеры силы отрыва для нанотрубок во время исследования на базе Нанотехнологического центра Берка в Парке открытий Университета Пердью.

Подробности опубликоны в феврале в журнале Nano Letters.

Энергия, необходимая, чтобы оторвать нанотрубку от поверхности, измерялась в «наноньютонах» — усилие, наверное, в миллиард раз меньшее, чем то, что требуется, дабы поднять чашку кофе. Эта энергия отрыва пропорциональна энергии границ раздела нанотрубки — определяющей, насколько липким является тот или иной материал.

«Сама идея измерения липкости материала — стандартное испытание в промышленности, — сказал Страс. — Есть определенные тесты, чтобы замерить прочность, вязкость и адгезию».

Но до сегодняшнего дня не было проведено ни одного теста по измерению этих сил в наномасштабе.

Нанотрубки — многообещающий материал для производства нового класса композитов, более прочных, чем обычные композитные материалы, используемые в самолетах и автомобилях.

Однако, чтобы должным образом интегрировать высокопрочные нанотрубки в полимеры, необходимо знание о том, как нанотрубки приклеиваются к полимерам и друг к другу.

Кроме того, исследования обещают помочь в понимании того, каким образом гекконы умудряются прилипать к поверхностям, что также может обернуться практической пользой для промышленности и военных.

Крошечные ветвящиеся щетинки на ногах геккона используют вандервальсову адгезию. «Вопрос в том, каким образом они сцепляются с поверхностью, и, что не менее важно, если сила адгезии достаточно велика, чтобы удерживать вес геккона на, скажем, стене, каким образом он потом отлипает, или отрывает ногу, самостоятельно, чтобы передвигаться по вертикальной поверхности?» — сказал Страс.

У нанотрубок есть и медицинский потенциал: например, создание более эффективных костных трансплантатов и биомолекулярных шаблонов для замены поврежденных тканей, а для этого опять же необходимо точное знание о том, как нанотрубки прилепляются к клеткам.

Еще одно возможное применение — «нанопинцет», который может использовать два наностержня для манипуляции компонентами микроустройств и микромашин.

Вопреки всем прогнозам Раман и Страс обнаружили, что трубки отделяются от поверхности не плавно, а рывками.

«Мы наблюдали скачки в силе отрыва, когда нанотрубки неожиданно отрывались — а потом цеплялись. Такое поведение имеет очень глубокое физическое значение и осмыслено может быть только с помощью математических моделей», — сказал Раман.

Нанотрубки для исследования были предоставлены NASA. Их длина была примерно 6 микронов, а ширина — 40 нанометров.

Для измерения усилия отрыва ученые использовали атомно-силовой микроскоп. Нанотрубку приклепляли к похожей на трамплин для прыжков в воду детали микроскопа под названием микроконсоль. Когда нанотрубку тянули от поверхности, консоль изгибалась. Движение на изгиб отслеживалось лазером, на основе чего вычислялось усилие, необходимое для отрыва нанотрубки.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США и Корейским Центром нанопромышленности и мехатроники.