Nanotorudest kumm on veniv ka kõrgetel temperatuuridel

Jaapani teadlased töötasid välja uue viskoelastse materjali mis püsib stabiilsena hämmastavalt suures temperatuurivahemikus, -196 °C kuni 1000 °C. See on esimene sellesarnane materjal, kuna tavaliselt lähevad seesugused materjalid kõrgete temperatuuride juures katki ning muutuvad madalate temperatuuride puhul rabedaks.

Tsukuba AIST-i teadlane Ming Xu ja kolleegid avastasid nanotorude uue erakordse omaduse – viskoelastsuse suure temperatuurivahemiku korral, kirjutab physorg.com.

Pildid omavahel põimunud nanotorudest, mis on teineteise suhtes kalde all või õhukeste torude ajutisest kollapsist. (A) Kolm nanotoru(ühe-, kahe- ning kolmeseinalised) on üksteisega kontaktis ning neid hoiab koos vaid Van der Waalsi jõud. (B) Hantli kujuga kollapseerunud nanotoru tekitab ajutiselt Van der Waalsi jõud, mis selle torude keskkohti koos hoiab. (C) Hüpoteetiline materjal, mis koosneb vastastikku põimunud nanotoru-rõngastest. Pilt: Science

Viskoelastsed materjalid käituvad kui tihedad vedelikud(nagu näiteks mesi) kuid taastavad sarnaselt kummipaelale alati oma kuju. Selliste materjalide üheks näiteks on polümeervaht, mida kasutatakse palju kõrvatroppides, mis end vastavalt kõrva kujule muudavad, kuid mis pärast eemaldamist oma esialgse kuju taastavad. Viskoelastsust täheldatakse mitmetes materjalides, kaasa arvatud amorfsetes ja semikristallilistes polümeerides, mõndades biomaterjalides, kristallides ning ka metallisulamites.

Uus kumm koosneb omavahel ühendatud ühe- ja mitmekihiliste nanotorude ebakorrapärasest võrgustikust ning selle viskoelastsus on toatemperatuuril sarnane enamike soojuskindlate ränikummidega. Ränikummi viskoelastsus säilib siiski ainult vahemikus –55 °C kuni 300 °C. Uus materjal on painutatav aga suures temperatuurivahemikus ning see taastab oma tuju ka pärast mitmekordset deformatsiooni ning sellel on erakordne kestvustugevus.

Xu töörühm alustas materjali valmistamist sadestades metallkatalüsaatoreid ränisubstraadile. Need katalüsaatorid käituvad süsinikuallikast, näiteks etüleenist, nanotorude kasvatamisel kui seemned. Segule lisatakse veetilk(100–200 miljondikosa), mis suurendab nanotorude kasvu järsult ning tänu millele kasvavad torud väga pikkadeks.

Tavaliselt kasvavad nanotorud seesugust tehnikat kasutades ainult ülespoole, kuid katalüsaatorit eeltöödeldes õnnestus teadlastel torude tihedust vähendada, saades nii kasvu jätkudes pikkade torude põimunud võrgustiku. ,,Et üksik süsinik-nanotoru ei saa ise seista, toetavad substraadil kasvavad torud üksteist. Selle tulemusena saame me torude võrgustiku, mis üksteisega tänu Van der Waalsi jõududele ühenduses on” sõnas Xu.

Teadlaste sõnul on võrgustik suure temperatuurivahemiku juures äärmiselt stabiilne, seda tänu energia hajumisele, sest kontaktpunktides üksikud nanotorud põimuvad kokku ja lahti. Süsinik-nanotorud on juba iseenesest väga kuumuskindlad, seega võib see kumm olla vastupidav ka sellistele temperatuuridele nagu 2000 °C ja 3000 °C.

Potentsiaalsete rakendustega seoses ütles Xu, et nad ei ole veel täiesti kindlad, sest valmistatud materjal on täiesti uus ning tänu seninägematutele omadustele ka unikaalne. ,,Hetkel me otsime võimalikke rakendusi, mis seesugustest temperatuurist mõjutamatuid omadusi vajavad,” selgitas Xu.

Drexeli Ülikooli teadlase Yuri Gogotsi sõnul leiaks seesugune materjal rakendusi näiteks kosmoselaevades kuid ka kortsuvabade tekstiilide ja viskoelastsete mehaanilist põrutust vähendavate sisetaldade juures.

Allikas

Teadusartikkel “Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from –196° to 1000°C“