Углеродные нанотрубки оказались не достаточно прочными для создания космического лифта

Углеродные нанотрубки (УНТ) считаются удивительным материалом будущего, из которого будут создаваться сверхпрочные, но лёгкие конструкции — от гоночных велосипедов до компьютерных компонентов.

Но оказалось, достаточно сместить всего лишь один атом со своего места, чтобы прочность материала сократилась вдвое. Это означает, что один из наиболее необычных проектов с применением УНТ — научно-фантастический космический лифт — возможно, никогда не будет реализован.

Прочность трубок является следствием особенностей их атомной структуры, в которой стенки, состоящие из одного слоя атомов углерода, заперты в гексагональной решётке. Теоретические исследования показывают, что одна нанотрубка может достигать предела прочности на разрыв 100 гПа, что делает их одним из самых прочных материалов, но попытки свернуть несколько нанотрубок в готовое к практическому применению длинное волокно приводили к созданию нити с прочностью всего 1 гПа.

Чтобы разобраться с этим, учёные Гонконгского политехнического университета смоделировали УНТ, где один атом был не на своём месте, превращая два из шестиугольников в пятиугольник и семиугольник с появлением излома в трубке. Они обнаружили, что этого небольшого изменения было достаточно, чтобы сократить прочность УНТ до 40 гПа, причем этот эффект усиливался с увеличением числа смещённых атомов.

Моделирование показало, что место излома это самое слабое место в трубке. Когда это происходит, все связи в соседних шестиугольниках также нарушаются, раскрывая всю нанотрубку. Эффект от скручивания вместе нескольких УНТ в волокна аналогичен – когда одна трубка ломается, нагрузка на остальные увеличивается, разрывая их в определённой последовательности.

Полученные результаты свидетельствуют, что достаточно лишь одного смещённого атома, чтобы ослабить прочность всего волокна из УНТ, а поскольку процессы создания нанотрубок пока недостаточно совершенны, то это неизбежно приведёт к появлению в волокне некачественной трубки.

Это плохая новость для энтузиастов, которые хотят построить космический лифт с помощью тросов, который должен по замыслу связать Землю и орбитальные спутники для облегчения доступа в космос.

Расчёты показывают, что такой трос должен иметь предел прочности на разрыв 50 гПа, поэтому УНТ считались перспективным решением, но учёные предполагают, что это невозможно обеспечить. «Если не будет большого прорыва в синтезе углеродных нанотрубок, то их использование для создания космического лифта будет чрезвычайно сложной задачей», — говорят они.