Если бы кинофильм «Терминатор-2: Судный день» снимали не 18 лет назад, а сегодня, авторам пришлось бы долго чесать в затылке, чтобы избавиться и от героя Арнольда Шварценеггера, и от его более совершенного аналога T-1000. Первый вполне мог бы выжить в расплавленном железе, а второй — не рассыпаться на мелкие осколки под ливнем жидкого азота.
Группа учёных из Института нанотехнологий при Техасском университете в Далласе создала удивительный материал, который можно использовать для создания искусственных мускулов.
Лента из многостенных углеродных нанотрубок жёстче, чем сталь, эластичней, чем резина, способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, прозрачна, хорошо проводит ток и превосходно работает в диапазоне температур от –200 до +1600 по Цельсию.
А возможно, и при более экстремальных температурах. Указанные пределы — это границы, в которых авторам работы, опубликованной в сегодняшнем номере Science, удалось проверить свойства материала. Среди авторов работы немало учёных с русскими фамилиями, а руководит исследованиями профессор химии Техасского университета, директор университетского Института нанотехнологий Рей Бомен, оказавшийся ко всему прочему ещё и иностранным членом РАЕН, что в очередной раз подтверждает, что не место красит человека, а как раз наоборот.
Чтобы получить полоски из аэрогеля, учёные сначала выращивают на специальной подложке «лес» многостенных углеродных нанотрубок, а затем увлекают часть из них за клейкой лентой. За каждую из увлечённых цепляются другие нанотрубки. В итоге большинство трубок оказываются вытянуты в одном направлении, хотя и не идеально – где-то они переплетаются, где-то встают в раскоряку, соединяя более длинные волокна. «Ткать» такие ленты можно с производительностью больше 2 метров в секунду.
Кажется, что у нового материала удивительны и часто уникальны все механические свойства.
Можно начать с анизотропии — отличия механических свойств по разным направлениям. По словам Джона Мэддена из Университета канадской провинции Британская Колумбия, написавшего для Science комментарий к статье Бомена и коллег, на ощупь этот аэрогель «похож на алмаз с одной стороны и на резину с другой». В продольном направлении (в котором ориентированы нанотрубки) аэрогель практически невозможно сжать на величину больше нескольких процентов, а в поперечных он сжимается лучше, чем самая мягкая резина.
Правда, говорить, что он «прочнее стали», — лукавство. В данном случае имеется в виду удельная жёсткость на единицу массы. Будучи в 5 тысяч раз менее плотным, чем сталь, аэрогель значительно уступает металлу, если сравнивать образцы одинакового объёма, — даже в том случае, если сжать ленту по толщине в 400 раз (как показали техасские учёные, при этом её механические свойства в других направлениях не меняются). Тем не менее исключительная удельная жёсткость — большой плюс, к примеру, для космических приложений, где каждый грамм выведенного на орбиту оборудования может стоить тысячи и тысячи долларов.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"id": "2706463",
"incutNum": 2,
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2961139_i_2"
}
Но самое интересное, конечно, его электромеханические свойства, которые и позволяют надеяться на применение в качестве «искусственных мускулов» для роботов.
Если приложить к ленте высокое напряжение относительно «земли», он сильно и почти мгновенно — за миллисекунды — расширяется в поперечных направлениях. К примеру, если потенциал на ленте составляет 4 кВ, он почти вдвое распухает по ширине и почти втрое – по толщине. Это связано со взаимным электростатическим отталкиванием нанотрубок, на которых при таком напряжении оказывается исключительно много «лишних» электронов.
Одновременно, при этой зарядке материал чуть-чуть, на доли процента, сжимается в продольном направлении, что связано опять же с аномально высоким коэффициентом Пуассона. При этом развивается огромная сила. Если использовать сжатые в сотни раз плёнки (это, как мы помним, не меняет механических и электромеханических свойств), аэрогель оказывается в 30 раз сильнее биологических мышц.
Грубо говоря, если своими руками вы можете лёжа поднять 150 кг, то такими же руками из «аэрогельных» мышц смогли бы выжать 5 тонн.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"id": "2805664",
"incutNum": 3,
"repl": "<3>:{{incut3()}}",
"uid": "_uid_2961139_i_3"
}
Но использовать этот материал в протезах и трансплантатах пока никто не собирается — всё-таки необходимые для работы киловольты никак не похожи на потенциалы активации мышц в живых организмах. Да и про роботов учёные пока не особо задумываются. По их словам, прозрачный, проводящий, лёгкий аэрогель с очень необычными свойствами скорее найдёт своё первое применение в качестве электродов для органических светодиодов, солнечных батарей и подобных материалов. Но чем чёрт не шутит.
