В журнале «Science» опубликована работа группы учёных из далласского и двух бразильских университетов, в которой описаны способ изготовления и свойства нанобумаги.
Бумагу из нанотрубок ученые под руководством Рея Богмана сделали по традиционной технологии, которая используется для изготовления бумаги из целлюлозы (взвесь тонких нитей в воде упаривается до образования черной углеродной бумаги), но целлюлозные волокна заменили углеродными нанотрубками.
Исследователи выяснили, что у большинства материалов растяжение приводит к сокращению их размеров в поперечных направлениях, а у листа нанобумаги все происходит наоборот - ширина увеличивается при продольном вытягивании. При этом бумага из однослойных нанотрубок имеет положительный коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации). Коэффициент Пуассона - отношение относительного поперечного сужения (расширения) к относительному продольному удлинению. С увеличением доли многослойных нанотрубок происходит резкий переход к отрицательному значению.
В своей работе ученые использовали для объяснения этого эффекта простую механическую модель и аналогию. Нанотрубки имеют зигзагообразную форму и соединяются между собой так, как рейки в сжимаемых решетчатых структурах - в статье авторы для сравнения приводят каркас-шкаф для хранения винных бутылок.
Другой неожиданностью стало то, что композиция из нанотрубок разного типа становится в 2 раза прочнее, чем каждый из материалов по отдельности.
Такие необычные свойства нанотрубок могут использоваться при создании новых конструкционных материалов, различных датчиков, искусственных мускулов. Для приборостроения, например, очень важно разработать материал с нулевым коэффициентом поперечной деформации - для создания высокоточных датчиков линейных и угловых перемещений.
Если из разработанного химиками удивительного материала сделать, к примеру, винные пробки, то штопор для их откупоривания окажется бесполезным: попытки вытянуть пробку лишь ещё сильнее прижимали бы её к бутылочному горлышку.
В результате исследований удалось построить модель, предсказывающую механические свойства нового наноматериала. Модель учитывает легкость растяжения и изгиба волокон и способна количественно показать, почему обычная целлюлозная бумага никогда не меняет знак коэффициента Пуассона с положительного на отрицательный. В недалеком будущем вещества с необходимыми механическими свойствами можно будет делать по заказу.
В природе также есть материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона но их совсем немного – кожа, покрывающая коровье вымя, некоторые виды минералов, живая костная ткань. Понимание важной роли таких материалов в быту пришло лишь в последнее время, и многие синтетические ауксетики были созданы на основе полимерных пенок. Такие материалы применяются как губки, упаковочный материал и даже в бронежилетах. К ауксетикам относится и Gore-Tex, используемый в спортивной обуви.
Но ещё задолго до создания Gore-Tex и даже появления теории упругости люди уже использовали материалы с необычным коэффициентом Пуассона - например, пробковое дерево, у которого эта величина хоть и положительна, но очень невелика. Все знают, как трудно засунуть пробку обратно, однако благодаря небольшому коэффициенту Пуассона пробка при этом не слишком удлиняется. Но небольшого положительного значения этой величины у пробки оказывается достаточно, что пробку можно вынуть штопором: растягиваясь, она чуть-чуть сжимается.
Отрицательный коэффициент в нанобумаге возникает из-за необычного сочетания силовых констант, описывающих работу нанотрубок на растяжение и на изгиб. Важное значение имеет трубчатая форма нановолокон и степень сцепления между стенками одностенных трубок. Эти константы, слабость контактов между одностенными и многостенными нанотрубками и слабости взаимодействия между различными слоями многостенных нанотрубок и приводят к отрицательному коэффициенту Пуассона.
