Китайские физики совершили открытие, которое сделало на шаг ближе постройку космического лифта, создание сверхстойких бронежилетов и получение материалов с ранее недоступной прочностью. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметра.

Углеродная нанотрубка - это одна длинная молекула в виде цилиндра, и прочность нити, которая изготовлена из такой молекулы, определяется уже не межмолекулярным, а куда более сильным, межатомным взаимодействием. Разница между ними - примерно как между прочностью лески и такой же по диаметру разлохмаченной шерстяной нитки. Теоретически нанотрубки могут стать основой для материалов в десятки раз прочнее стали.

Нецелевое использование спирта

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру, - технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: четыре части спирта на одну часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена - это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок - для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.

Новые возможности для микроэлектроники

Электрические свойства новых нанотрубок уже обратили на себя внимание: рекордные трубки проводят ток одинаково хорошо по всей длине. Причем, как и полагается углеродным нанотрубкам, они обладают полупроводниковыми свойствами, из одного экспериментального образца даже удалось сделать сразу сотню транзисторов. С одинаковыми, как и ожидалось, параметрами, и здесь, возможно, кроется основа для переворота в микроэлектронике.

Что же касается свойств механических, то о них ученые ничего даже не говорят: пока длинные нанотрубки получены не в том количестве, чтобы думать о возможности их использования в качестве, например, тросов для создания орбитального лифта, который мог бы вместо ракет поднимать грузы и людей в космос.

Кстати, на нанотрубках (небольшой длины) уже придумана и компьютерная память. Причем с очень высокой стабильностью хранения, с ее внедрением, возможно, про «битые» файлы можно будет забыть.

Лифт на орбиту остается мечтой

Идея орбитального лифта проста: если взять трос, прикрепить его к Земле, привязать груз и выбросить его на высоту в 36 тыс. километров, то трос не упадет обратно, а повиснет. На привязанный груз будет действовать достаточная для компенсации силы гравитации центробежная сила: точно так же можно раскрутить вокруг пальца веревку с привязанной гайкой. Главное - хватило бы прочности троса... и вот тут у космического лифта начинаются проблемы.

Расчеты показывают, что для лифта необходима прочность не менее 65 гигапаскалей, то есть нить сечением 1 квадратный миллиметр должна держать хотя бы 650 кг. Тонкая леска из такого материала должна поднимать взрослого человека, а веревка толщиной с бельевую - тянуть товарный состав. Пока таких материалов попросту нет.

Кварцевое волокно выдерживает 200 кг на квадратный миллиметр, но это, увы, пока предел. Другое дело - нанотрубки, они теоретически могут держать и больше тонны... но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.

Многоликий углерод

Из всего множества разнообразных форм углерода вплоть до середины XX века во всех учебниках фигурировали главным образом графит и алмаз - один из самых мягких и самый твердый минералы имели в точности одинаковый химический состав. Естественно, кроме графита и алмаза была еще известна и сажа - аморфная форма, в которой нет определенной кристаллической решетки. На этих трех все знание о многообразии форм углерода и заканчивалось.

Но потом начались открытия. В начале 1960-х химиками из СССР был синтезирован карбин - уложенные параллельно цепочки из атомов. Затем, в 1966 году, появился лонсдейлит - нестандартная форма алмаза, а значительно позже - посрамление алмаза, лонсдейлит, оказавшийся в полтора раза тверже.

Фуллерен - полые сферы - открыт в 1985 году. Нанотрубки - примерно тогда же, их появление принесло в научную среду споры о том, кто же именно увидел их первым. Графен - лист толщиной в один атом - появился в 2004-м... и это еще не все.

В 2008 году появились «гигантские» нанотрубки диаметром (но не длиной!) в тысячи раз больше обычных. И, судя по всему, физика и химия углерода на этом останавливаться не собирается.