Углеродные нанотрубки всё успешнее конкурируют с медью в качестве проводников

Пусть этот материал не лишен недостатков в долговечности, он открывает новые горизонты для создания более совершенных технологических решений

На заре своего открытия углеродные нанотрубки воспринимались как технологический прорыв. Они обладали уникальными свойствами: могли проявлять металлические или полупроводниковые характеристики, отличались миниатюрными размерами, легкостью и невероятной механической прочностью, обусловленной надежностью химических связей. Казалось, что поле их применения практически безгранично.

Однако суровая действительность внесла свои коррективы. Стало очевидно, что получение однородных массивов нанотрубок с заданными свойствами — задача крайне сложная. Традиционные методы синтеза создавали запутанные структуры из коротких сегментов; получение трубок длиной более нескольких сантиметров оставалось большой редкостью. Кроме того, несмотря на превосходную проводимость металлических разновидностей, передача больших токов через отдельную нанотрубку оказалась трудновыполнимой задачей.

Тем не менее, энтузиазм материаловедов не угас. Недавно в научном издании Science была опубликована работа, предлагающая метод модификации пучков углеродных нанотрубок с помощью специальных химических добавок. Это позволило повысить их электропроводность до показателей, сопоставимых с медными аналогами. Несмотря на то что полученный материал пока не отличается высокой стабильностью, данное достижение закладывает основу для разработки долговечных проводников нового поколения.

Легирование нанотрубок

Углеродные нанотрубки многолики. Однослойные структуры можно представить как свернутый в цилиндр лист графена с замкнутыми краями, причем диаметр таких структур варьируется. Существуют и многослойные аналоги, где один цилиндр вложен в другой.

В металлическом состоянии они почти не препятствуют прохождению электронов. Однако значительная часть электронов задействована в формировании самих углеродных связей, что ограничивает количество носителей заряда, свободных для переноса тока. В связи с этим ученые активно исследуют возможность использования допантов — химических агентов, внедрение которых в структуру материала в малых концентрациях позволяет направленно изменять его свойства, в частности, увеличивая концентрацию свободных электронов.

Внедрение примесей в изолированную нанотрубку практически невозможно из-за ее закрытой структуры. Группа испанских исследователей пошла иным путем, работая с макроскопическими волокнами, состоящими из ансамбля ориентированных нанотрубок различной длины. Использование двустенных нанотрубок обеспечило однородность внутреннего пространства волокна.

Эту структуру можно сравнить с упаковкой сферических объектов: как бы плотно они ни лежали, между ними неизбежно возникают пустоты. Именно в эти межтрубные промежутки исследователи и поместили модифицирующие химические вещества.

Для легирования коммерчески доступных волокон ученые применили тетрахлоралюминат (AlCl₄⁻) — заряженную частицу с избытком электронов. Чтобы доставить ее в межтрубное пространство, использовали газофазный метод: волокна подвергались воздействию паров трихлорида алюминия и хлора, в результате чего внутри структуры происходил синтез искомого соединения.

Анализ проводимости

Значительная часть исследования посвящена спектроскопическим методам и визуализации, подтвердившим успешное внедрение реагента в структуру волокна. Параллельно с помощью моделирования на основе теории функционала плотности было доказано, что легирование действительно увеличивает плотность свободных носителей заряда. Итоговый химический состав материала определен как C₃₉AlCl₄, при этом физическая геометрия волокон осталась практически неизменной.

Наиболее впечатляющие результаты были получены при изучении электропроводности. Легирование алюминием обеспечило десятикратный прирост средней проводимости — лучший показатель среди всех протестированных ранее методов. В наиболее качественных образцах проводимость возросла более чем в 15 раз, достигнув 70% от уровня чистого алюминия (примерно половина проводимости меди).

Критически важно, что такая модификация практически не увеличивает массу материала, который сам по себе крайне легок. В пересчете на плотность легированные углеродные волокна превосходят медные аналоги.

Хотя на первый взгляд это преимущество кажется незначительным, оно крайне важно в сценариях, где вес критичен или доступное пространство не является ограничением. Так, использование чуть более толстого углеродного волокна вместо тонкого медного провода может стать эффективной заменой. Перспективным направлением применения являются линии электропередачи большой мощности: достижение сопоставимой пропускной способности при сниженном весе существенно сократит затраты на возведение опорных конструкций.

При этом легирование никак не ухудшает выдающиеся показатели прочности на разрыв, характерные для нанотрубок, которые значительно превосходят показатели металлов и приближаются к характеристикам стали.

Однако до коммерческого внедрения предстоит решить важную проблему: нестабильность тетрахлоралюмината в атмосферных условиях из-за его гигроскопичности. Исследователи успешно применили защитное полимерное покрытие, увеличив ресурс материала, но даже с ним срок службы исчисляется неделями, а не десятилетиями.

Тем не менее, данная работа чрезвычайно ценна. Она наглядно доказывает потенциал таких материалов и, при условии снижения стоимости производства волокон, задает вектор дальнейших исследований — поиск более устойчивых химических аналогов, способных обеспечить аналогичный или лучший эффект при сохранении долговечности.

Источник