Проводники из углеродных нанотрубок становятся всё более конкурентоспособными по сравнению с медью

Хотя этот материал со временем теряет свои свойства, он может послужить отправной точкой для создания более совершенных материалов

Сразу после открытия углеродные нанотрубки казались настоящим чудом материи. Существовали металлические и полупроводниковые формы; они были крошечными и невероятно лёгкими; и их можно было разрушить, только разорвав химические связи. Вариантов их использования казалось бесконечно много.

Но затем в дело вмешалась реальность. Оказалось очень трудно получить чистую популяцию металлических или полупроводниковых форм. Методы синтеза, как правило, приводили к образованию клубка в основном из коротких нанотрубок; трубки длиной более пары сантиметров оставались редкостью. И хотя металлическая версия практически не оказывала сопротивления электрическому току, было трудно пропустить много электронов через одну нанотрубку.

Однако учёные-материаловеды — народ упрямый, и они по-прежнему пытаются заставить нанотрубки работать. В журнале Science недавно была опубликована статья, описывающая добавление химического вещества к пучкам углеродных нанотрубок для повышения их способности проводить ток до уровней, близких к показателям меди. Хотя нанотрубки с более высокой проводимостью оказались нестабильными, это открытие может указать путь к созданию материала с более длительным сроком службы.

Легированные нанотрубки

Углеродные нанотрубки бывают разных видов. Однослойные нанотрубки можно представить себе так: возьмите лист графена, сверните его в цилиндр и соедините два соприкасающихся ребра. Они могут иметь разный диаметр. Существуют также многослойные углеродные нанотрубки, в которых вторая нанотрубка (а может быть, и третья, и даже больше) обёрнута вокруг первой.

В металлическом состоянии они оказывают незначительное сопротивление потоку электронов вдоль нанотрубки. Однако, поскольку большая часть их электронов связана в химических связях, необходимых для формирования нанотрубки, для переноса тока доступно не так много электронов. Поэтому многие учёные пытались разработать допанты — химические вещества, изменяющие поведение основного материала, которые можно добавлять в небольших количествах. В данном случае целью было найти химические вещества, которые действовали бы как доноры электронов, увеличивая количество тока, потенциально способного протекать через нанотрубку.

Очевидно, что в изолированные нанотрубки невозможно добавить легирующие примеси, поскольку эти трубки — достаточно замкнутые системы. Но команда, стоящая за новой работой и базирующаяся в Испании, работала с объёмными волокнами из нанотрубок, представляющими собой смесь нанотрубок различной длины, скомпонованных в более крупное волокно, причём большинство отдельных нанотрубок ориентировано вдоль длинной оси волокна. В данном случае волокно было изготовлено из двустенных нанотрубок, что придавало его внутреннему пространству однородную структуру.

Конструкцию из этих волокон можно сравнить с укладкой шарообразных предметов в коробку. Даже при самой эффективной укладке между соседними шарами останутся зазоры. Точно так же между этими волокнами существует свободное пространство, которое позволяет встраивать в них дополнительные химические вещества.

Сами волокна из нанотрубок были получены от коммерческого поставщика. Для легирования этих волокон исследователи решили использовать тетрахлоралюминат (AlCl₄⁻) — заряженную молекулу, у которой есть избыток электронов. Чтобы ввести его в пространства между нанотрубками, они использовали пар, состоящий из трихлорида алюминия и источника дополнительного хлора. Пар проник в волокна, и на месте сформировался заряженный тетрахлоралюминат.

Проводимость

Большая часть статьи состоит из результатов визуализации и спектроскопии, подтверждающих наличие ожидаемого химического вещества в пространствах между нанотрубками. Также было проведено немало моделирования с использованием теории функционала плотности, чтобы подтвердить, что в результате легирования, как и ожидалось, появляются дополнительные электроны, способные проводить ток. В целом указано, что полученный материал имеет химическую формулу C₃₉AlCl₄ и что химические изменения происходят без изменения физического размера волокна.

Интересные результаты появились, когда исследователи начали изучать токопроводящие свойства материала. Легирование алюминием повысило среднюю проводимость в 10 раз. Это максимальный показатель, достигнутый любым из ранее испытанных легирующих веществ. В случае самого проводящего из протестированных волокон этот показатель вырос более чем в 15 раз, и его проводимость составила около 70 процентов от проводимости алюминия (что соответствует примерно половине проводимости меди).

Однако ключевая особенность здесь в том, что легирование не добавляет значительной массы к материалу, который сам по себе довольно лёгкий. Таким образом, с поправкой на плотность, легированные углеродные нанотрубчатые волокна фактически превосходили медь.

Это может показаться надуманным преимуществом, но на самом деле оно может иметь значение в приложениях, где пространство не является проблемой и/или где важен вес. Таким образом, если допустимо, чтобы толщина проводки была чуть более чем в два раза больше, то можно использовать волокно из нанотрубок вместо более тонкого медного провода, который потребовался бы в противном случае. Другое возможное применение — линии электропередачи большой мощности, где достижение той же производительности при меньшем весе может сэкономить средства на строительстве опорных башен.

Что касается этого последнего применения, легирование не изменяет прочность (и без того очень высокую) углеродных нанотрубчатых волокон. Они обладают более высокой прочностью на разрыв, чем медь или алюминий, и по своим характеристикам ближе к стали.

Однако прежде чем спешить инвестировать в будущее углеродных нанотрубок, следует учесть одну серьёзную проблему: тетрахлоралюминат нестабилен в обычных условиях окружающей среды, поскольку вступает в реакцию с молекулами воды в воздухе. Исследователи смогли продлить срок его службы, покрыв волокна полимерным слоем, но даже в этом случае срок службы измерялся неделями, а не десятилетиями, как нам хотелось бы.

Это не означает, что данное исследование бесполезно. Оно наглядно демонстрирует потенциал этих материалов, если удастся снизить стоимость волокон из углеродных нанотрубок. В ходе исследования были выявлены структурные и химические особенности высокоэффективного легирующего вещества, повышающего проводимость, что в конечном итоге может позволить нам найти похожее, но более стабильное химическое соединение для его замены.