Střelba uhlíkovými nanotrubkami vysokorychlostním dělem  
Dříve se v Texasu střílelo mnohem více, teď prý tradici zachraňuje, dost netradičně, horda přistěhovalců. Uhlíkovými projektily pálí jen do terče, ještě k tomu nepřesně a přesto o nich píše celý svět.



 

V I D E O
RICE UNIV. HOUSTON

První autor publikace v nejnovějším čísle časopisu Nano Letters, Sehmus Ozden, prý musí často vysvětlovat, že se zpěvačkou Whitney Houston, nemá nic společného a že je jen členem „Houston týmu“ na Rice University. Z Houstonu, přezdívaného také „hvězdným městem“, to zase podle Vesmírného centra Lyndona B. Johnsona, odkud byly řízeny vesmírné lety amerických raketoplánů. Není se co divit, že nanostruktury a nanokompozity tu jsou ve velké oblibě a že na místní universitě je studují celé týmy vědců.  V houstonské líhni odborníků se zrodil objev o němž se začíná nadšeně diskutovat na internetových fórech. Teda jen těch specializovaných na chemii a mezi diskutujícími jsou jména, na Američany poněkud zvláštně znějící. Ne jinak je tomu u spolupracovníků našeho Sehmuse Ozdena.


Specialisté na nanostruktury, nanokompozity a grafen z jedné laboratoře na Rice University:
Zhou Zhou,Yongmin He, Ge You, Amit Jethanandani, Liehui Ge,  Bo Li, Pei Dong, Prasanth Raghavan, Ram Manohar Yadav, Hemtej Gullapalli, Lulu Ma, Gang Shi, Soumya Vinod, Kaushik Kalaga, Yongji Gong, Minjie Wang, Sidong Lei, Mohamed Kabbani, Alin Cristian Chipara, Kunttal Keyshar, Gonglan Ye,  Xiang Zhang,  Sachin Gupta, Anieph Gentles, Juny Cho, Bilan Yang, Kavana Gowda, Yihan Huang, Rui Wang, Anqi Sun, Neelam Singh, Jaime Taha, Srividya Sridhar, Jianyu Yao,  Manjusha Shelke, Yusuke Ito, Parambath Sudeep, Dibyendu Chakravarty, Jingjie Wu, Dijo Damien, Deya Das, Subhendu K. Panda, Venkatavaradan Sunderarajan, Sumana Kundu,...


 

Zvětšit obrázek
Plynové dělo na RICE University. Zámotkům (grafenovým vícevrstevným trubičkám) uděluje „úsťovou“ rychlost 6 706 metrů za sekundu.

Nano střelectví
Nano v názvu svádí k představě, že jde o přesnost, ale nejde. Hlavní tu je hyperrychlost a od našich představ mysliveckých honů je tato střelba na hony vzdálena. Kulka o gramové hmotnosti získává dopadovou energii v tunách. Střílí se do vakua a zbraní je plynové dělo, nebo chcete-li, puška. Nejde o nijak výjimečnou techniku, protože co to udělá, když „něco“ dopadne na něco jiného ve velmi vysoké rychlosti, jako tomu je při dopadu mikrometeroidů na plášť kosmické lodi, se zkoumá již hodně dlouho.


 

Zvětšit obrázek
Schema plynového děla

I když se zařízení pro vysokorychlostní střelbu říká plynová puška, není to žádná vzduchovka. Má dokonce dvě na sebe navazující hlavně. První se podobá spíš dělu velké ráže s nedrážkovanou hlavní o průměru v desítkách centimetrů. Konec této hlavně, kde u kanónů bývá úsťový nástavec k zamezení zpětného rázu, má trychtýřovité zúžení. Za ním pokračuje druhá hlaveň. Ta už je spíš jako hlaveň pušky. Průměr jejího vývrtu se řídí velikostí toho, co se má z hlavně střílet.

 

Zvětšit obrázek
Tak to dopadne, když na Rice university začnou střílet mnohonásobně zabalenými uhlíkovými nanotrubicemi (MWCNTs). Výsledy střetu s podložkou závisí na úhlu natočení. Snímky jsou generované simulací molekulové dynamiky (vlevo), vpravo je realita pořízená elektronovým mikroskopem. Kredit: Ozden, et al., American Chemical Society, 2014

První, velkokaliberní část, se nabíjí hliníkovým projektilem, ten slouží jako píst. Jak už to u děl bývá zvykem, hliníkový projektil se vymete prachovou náplní. Hliníkový „píst“ dosáhne rychlosti okolo 2000 m/s. Část hlavně před pístem se napustí vodíkem (odtud označení plynové dělo). Do „malorážkové“ hlavně se dá ucpávka (vodící prvek), ten má za účel vystřelovat to co potřebujeme (zde grafenové trubky) tak, aby se to nešoupalo o stěny hlavně. Velká a malá hlaveň jsou v místě zúžení odděleny přepážkou. Ta po jistou dobu drží stlačovaný vodík, do doby, než dosáhne jisté meze při níž se protrhne. Hlavně jsou dovybaveny expanzní komorou. Do té se po výstřelu rozptylují stlačené plyny, aby nenadělaly v okolí moc paseky. Druhý projektil (ten na vodícím prvku) se vystřeluje do komory, která navazuje na tenkou hlaveň. V té není myš, ale vakuum a v našem případě i hliníkový terč. Vystřelený hliníkový píst se zapeče do kuželovitého přechodu do tenké hlavně, takže tato část je jen na jedno použití. Naše nanotrubičky vyvede z druhé hlavně extrémně stlačený vodík. Ten, který hliníkový píst o velkém průměru natlakoval do malého prostoru hlavně s malým vývrtem. Střela při ústí druhé hlavně získává více než třikrát větší rychlost, než jakou získala hliníková střela první části kanónu. 
 

Zvětšit obrázek
Sehmus Ozden na společné fotografii - devátý zleva, vedle kolegyně Kundu (příjmení). Kredit: RICE Univ.


Vesmírem se potuluje hodně odpadu a smetí. Vždy se zatím jen zkoumalo, co to udělá, když částečky zasáhnou „kevlarem“ , nanotrubičkami vyztužený plášť satelitů, či ubytovny na ISS. Ozdena napadlo to celé otočit a místo aby střílel do stěny tvořené výztuží trubiček, začal střílet trubičkami do stěny. Z vícevrstevných trubek udělal grafenové zámotky vypadající tak trochu jako projektily. Říká jim pelety. Těmi nabíjel druhou z hlavní a střílel je do hliníkového terče.   

 

Zvětšit obrázek
Schéma experimentu s výsledky dopadu náhodně směrovaných uhlíkových nanotrubic vystřelených na pevný cíl rychlostí 24 140 kilometrů za hodinu. Kredit: Ozden, et al., American Chemical Society 2014

Dopad titěrností při rychlosti blížící se  sedmi kilometrům za sekundu se sleduje dost špatně. Proto vědci vzali za vděk analýzou snímků pořízených z místa činu elektronovým mikroskopem. Z nich počítačovým modelem vyvodili, co se při dopadu vlastně dělo. Hodně zvědaví na výsledky prý byli plánovači ubytoven pro svéráznou vesmírnou turistiku za hranice všedních dnů a Kármánovu hranici, která sahá 100 km nad povrch Země (všeobecně přijímanou hranici mezi zemskou atmosférou a kosmickým prostorem).  Ještě více než milovníky kratochvílí pro dospěláky, výsledky zajímaly specialisty na ničení ve vesmíru a plánovače hvězdných válek. Chování střel se totiž ukázalo být poněkud nevyzpytatelné. I když smotky nanotrubiček při výstřelu byly směrovány na cíl kolmo, při letu vakuem se motaly, jako to, co létalo z křesadlových pušek v sedmnáctém století, které také měly hlavně bez vývrtu. Projektily zasahovaly cíl natočeny v různých úhlech.

 

Zvětšit obrázek
Při „správném“ úhlu dopadu na terč se z nanotrubičky stává grafenový plátek. (Upraveno podle Ozden a kol., 2014)

Specialisty na nanostřelbu uváděl v úžas vliv úhlu dopadu proto, že podstatně měnil výsledek kolize. Při střetu pod úhlem 90 ° se grafenový smotek  deformoval v radiálním směru. Polopaticky to znamená, že střela se chovala jako když se čelně trefíme do betonové zdi a předek auta dostane tvar buldočího čumáku.

Při dopadu pod úhlem 45 ° se ale „střely“ chovaly jinak. Zámotek se „rozbaloval“. Doposud s grafenem byly zkušenosti takové, že se při domlouvání silou, hroutil a rozpadal nahodile. Jenže, jak se ukázalo, při rychlosti 24 tisíc kilometrů za hodinu to přestává platit. 



VIDEO: Simulace molekulární dynamiky rozepínajícího se multi-zámotku uhlíkové nanotrubice.  Kredit: Ozden, et al., American Chemical Society, 2014.    Spustit zde: nl501753n_si_002.avi (19.06 MB)

 

Střelba do terče z hliníkového plátku, při nulovém úhlu dopadu, se ukázala být ze všech nejnadějnější. Nanotrubky se při ní rozbalovaly kompletně. Vědci hovoří o dekomprimací v řádu femtosekund, při níž mezi atomy podél stěny nanotrubičky dojde k pnutí, které naruší uhlíkové vazby v přímém směru. Polopaticky řečeno - chovají se, jako by je někdo rozstříhal podél a vyrovnal do placata.

 



VIDEO: Molekulární dynamika rozepínacích se nanotrubic. Kredit: Ozden, et al., American Chemical Society, 2014     spustit zde: nl501753n_si_003.avi (3.93 MB)

 

Svérázná střelba uhlíkovými nanotrubicemi by prý mohla být užitečná i běžným smrtelníkům. Konkrétně k tvorbě 2D grafenových nanopásků. Velmi si je cení například radio technici, kterým se hodí do krámu víc, než trubičky. Šilhají po nich tvůrci 3D televizorů, mobilů i konstruktéři počítačových monster. Zatím u grafenových pásků všichni naráželi na jeden velký problém. Chemicko-fyzikálními metodami je získávaly ušpiněné, což jim kazí jejich polovodičový charakter.  Nynější mechanický způsob „stužkování“ grafenu dělá z roury proužky s "čistým řezem" a to hlavní, výsledný produkt je prý čistý, jak slovo boží. A na rychlost výroby si také nikdo nebude moci stěžovat. Prý se můžeme začít těšit na ještě menší a ještě výkonnější, skoro všechno. 


Literatura:
Sehmus Ozden, et al. "Unzipping Carbon Nanotubes at High Impact." Nano Letters. DOI: 10.1021/nl501753n
Physorg 

Datum: 24.06.2014 21:44
Tisk článku

Související články:

Převrat v praní: Nanotextilie, co se samy vyčistí na světle     Autor: Stanislav Mihulka (27.03.2016)



Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



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