Tepelně odolná uhlíková "pryž"  
Uhlík v podobě grafenu a z něho odvozených struktur je asi tou nejpřekvapivější matérií. Rozmanitost jeho možných aplikací je snad bez hranic. Zdá se, že i elastická pryž podlehne v konkurenčním souboji se spletí uhlíkových dutých nanovláken.

 

Zvětšit obrázek
Pružný pásek z propletených uhlíkových dutých nanovláken a jeho vnitřní struktura. Kredit: Ming Xu et al.; Science 330, 1364 (2010)

Teplým a vlhkým tropům střední a jižní Ameriky, kde roste druh morušovníku Castilla elastica a Olmekům, kteří v dávné předkolumbovské éře (2000? až 400 p.n.l.) obývali nížiny středního a jižního Mexika, vděčíme za objev přírodní pryže. Nějak se jim podařilo smíchat šťávu popínavé rostliny, svlačce Ipomoea alba, kterou pravděpodobně využívali kvůli halucinogenním účinkům, s latexovou mízou Castilly. Protože svlačec obsahuje sloučeniny síry, došlo k polymerizaci latexu. Takový přírodní kaučuk, pro který je v současnosti základní surovinou latexové mléko kaučukovníku brazilského (Hevea brasiliensis) rostoucího v amazonských pralesích, ale stále zůstává trochu lepkavý a jeho nejdůležitější vlastnost – elastičnost – se ztrácí jak v chladu, kdy křehne a drolí se, tak za vyšší teploty, kdy měkne a trvale se deformuje. Tyto problémy do velké míry odstranili koncem první poloviny 19. století objevitelé procesu vulkanizace - Američan Charles Goodyear a Angličan Thomas Hancock.

Zvětšit obrázek
Struktura grafitu (tuhy) – ve vrstvě jsou atomy uhlíku vázány kovalentními vazbami do šestiúhelníků, vrstvy navzájem k sobě přitahují jen slabé Van der Waalsovy síly.

 

I dnes se přírodní nebo umělá kaučuková drť smíchává s příměsmi, z nichž tou nejdůležitější složkou je síra. Její atomy vytvářejí můstky ve vnitřní struktuře pryže. Do směsi se přidávají různé katalyzátory, saze a minerální oleje, podle požadovaných vlastností výsledného produktu. Pak se vše mísí, tvaruje a prudce zahřívá na teplotu okolo 170 °C. I když je pryž jedním z nejpoužívanějších materiálů, dobře víme, že teplotní extrémy jí moc nesvědčí. Výzkum nových materiálů však překvapuje i v tomto směru. Nejen vylepšováním vlastností vulkanizovaného kaučuku pomocí dalších aditiv, ale i hledáním alternativních viskózně-elastických látek. Například na bázi vulkanizovaných silikonů. Ale i tyto mají použití limitované rozsahem teplot -55 °C až 300 °C.


V nejnovějším čísle časopisu Science pětice japonských výzkumníků zveřejňuje výsledky testů materiálu, který si svou pružnost uchovává v neuvěřitelně velkém teplotním rozmezí od –196 °C do +1000 °C. V testovaných fyzikálních vlastnostech, například v odolnosti vůči únavě materiálu, frekvenční stabilitě nebo míře vratné deformace se jeho parametry neměnily v rozsahu od –140 °C do 600 °C. Po bezpočtu článků o téměř zázračných vlastnostech grafenu již ani nepřekvapuje, že i v tomto případě hraje hlavní roli.

Zvětšit obrázek
Změna vnitřního uspořádání nanovláken při natahování materiálu. B: spoje mezi vlákny se chovají jako zipy, můžou se rozevírat a posouvat podél vlákna. Překonávání Van der Waalsových sil vede k rozptylu části působící energie. Příliš velké natažení vede k nevratné deformaci materiálu. Kredit: Ming Xu et al.; Science 330, 1364 (2010)

Přesněji, jde o neuspořádanou síť různě propojených delších uhlíkových dvoj- (68 %), jedno- (22 %) a třívrstevných (10 %) nanotrubek, nebo spíše dutých nanovláken. Pod mikroskopem struktura připomíná hustý chomáč vlasů, každé vlákno se proplétá s mnoha jinými. V místech spojů působí slabé Van der Waalsovy síly, stejně jako mezi jednotlivými monoatomárními grafenovými vrstvami v obyčejné tuze (obrázek vlevo). Lehce se dají rozrušit, proto lze tužkou psát.


Elastické vlastnosti má uhlíková „pryž“ v podstatě stejné jako ta silikonová za pokojové teploty. Viskozitu, tedy schopnost rozptýlit působící energii, má ale mírně vyšší. Protože vnitřní strukturu tvoří náhodné uspořádání nanotrubek, technologové podrobili testům několik různých vzorků, aby věděli, nakolik případné nehomogenity ovlivňují viskózně elastické vlastnosti. Rozdíly byly menší než 5 %. Při rázových zkouškách pomocí ocelové kuličky a testech pro antivibrační izolace elastická uhlíková „plsť“ obstála jak v tekutém dusíku, tak v žáru nad 900 °C.

Zvětšit obrázek
Uhlíkové nanotrubky tvoří jedna vrstva stočeného grafenu. Jejich průměr dosahuje jednotek až tří desítek nanometrů (miliontin milimetru). Vytvořit jednovrstvá dutá vlákna není tak jednoduché. Při napařovací metodě, kterou japonští vědci použili, vznikly převážně dvojvrstvé nanotrubky.

 

Elektronový mikroskop zviditelnil nejen strukturu a její změny způsobené tlakem a tahem, ale i "příčiny" některých vlastností. Ne všechno lze pozorovat přímo, pro fyzikální podstatu některých jevů vědci hledali teoretická vysvětlení. Například pro schopnost rozptylovat energii. Když je hustý chuchvalec uhlíkových vláken vystaven deformaci, část energie se spotřebuje na rozrušení Van der Waalsových sil působících v místech doteku vláken. Spoje se ale nerozevřou úplně, jenom se na jednom konci rozzipují a na druhém vznikají a tak se doslova posouvají podél vláken (obrázek – část B). Koeficient tření je ale velmi malý, proto japonští výzkumníci předpokládají, že tyto posuny jsou nepatrné a jenom jejich obrovskému počtu materiál vděčí za schopnost část energie pohltit a rozptýlit. Možnost "posuvných" spojů vrátit se opět do původní polohy má své meze a natažení nad kritickou hodnotu způsobí nevratnou deformaci. Vlákna se uspořádají do lineárných svazků, čímž se naruší původní všesměrná struktura.

 

Zkoušky únavy materiálu při teplotách (A) –140°C, (B) 25°C a (C) 600°C. Při změnách tlaku a tahu se dynamické parametry: paměťový modul (storage modulus), ztrátový modul (loss modulus) a faktor útlumu (damping ratio) téměř nemění ani po milionu deformačních cyklů. Kredit: Ming Xu et al.; Science 330, 1364 (2010)

 

Samotní vědci zatím nemají představu o všech možných aplikacích, jejich výzkum je teprve v počátcích. Jestli grafen a jeho různé prostorové modifikace splní jenom část toho, co "slibují", dobu plastů pravděpodobně nahradí éra uhlíková. V ní si (možná) kluci budou kopat do míčů ze spleti karbonových nanotrubek, které budou plné, přesto lehké, pružné a téměř nezničitelné. Pak si zahrají na přenosných minipočítačích s výkonnou elektronikou na báze grafenu a velkou skládací nebo srolovatelnou grafenovou obrazovkou. Nebo nasednou do svých malých elektrických „přibližovadel“ s karoserií z uhlíkových vláken. A než stihnou přijít domů, poloautomatizovaný kuchyňský robot připraví večeři v nádobí s odolným adhezivním grafenovým povrchem...


Zdroje: Ming Xu, et al.: Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196°C to 1000°C;  Science 330, 1364 (2010); DOI: 10.1126/science.1194865

Datum: 03.12.2010 20:50
Tisk článku

Oldřich Uhlík - karosář / Coach Builder - Králík Jan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 1000 Kč
cena: 890 Kč
Oldřich Uhlík - karosář / Coach Builder
Králík Jan

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace