В 15 раз прочнее стали: изобретены самые прочные в мире кремниевые нановолокна

Ученые из Университета исследовательского центра оптоэлектроники в Саутгемптоне первыми начали разработку самых крепких в мире нановолокон кремния

Главной задачей, стоящей перед учеными, было нахождение материала сверхвысокой прочности. Ход работы привел сотрудников исследовательского центра к созданию легкого и очень прочного нанопровода, исключительно устойчивого по отношению к разного рода нагрузкам. Исторически сложилось, что углеродные нанотрубки стали самым доступным из прочных материалов, однако их высокая прочность может быть измерена только на достаточно небольших образцах – размером буквально в несколько микрон, что говорит о малой возможности их практического применения.

Новый научный проект исследовательского центра, организованный профессором Дэвидом Пейном и старшим научным сотрудником доктором наук Джилберто Брамбиллой, завершился созданием самого прочного и легкого кремниевого нановолокна – «нанопровода», который оказался в 15 раз крепче стали и может производиться длиною в тысячи километров.

Их изобретение уже вызвало большой интерес у многих компаний по всему миру: ведь такие прочные и легкие волокна могут помочь модернизировать авиационную и судостроительную промышленность и отрасли, связанные с созданием средств безопасности. В настоящее время проводятся масштабные испытания волокон, чтобы определить возможности их дальнейшего практического применения.

«Очень важно, чтобы синтетические волокна обладали высокой прочностью, которую можно достичь с помощью производства волокон с очень низкой степенью повреждаемости и малым весом.

Обычно, если вам необходимо увеличить прочность волокна, вы вынуждены увеличивать его диаметр, а соответственно, и вес, однако наше исследование показало, что если вы уменьшите размеры кремниевого нановолокна, то его прочность, напротив, увеличится, а вес останется таким же малым. Мы являемся первыми исследователями, которые смогли оптимизировать прочность таких волокон.

Наше открытие способно усовершенствовать комбинированные материалы и материалы с высокой прочностью по всему миру и значительно повлиять на модернизацию авиационной и судостроительной промышленности и отрасли, связанной с созданием средств безопасности. Мы хотим исследовать потенциальные возможности использования волокон в комбинированных материалах и определить, могут ли они свободно использоваться при создании таких машин, как самолеты, катера и вертолеты», – рассказывает доктор Брамбилла.

Профессор Пейн добавляет: «Кремниевые нановолокна в 15 раз крепче высокопрочной стали и в 10 раз крепче обычного стеклопластика. Мы даже можем уменьшить количество затраченного материала, тем самым уменьшив вес объекта, не снизив его прочности.

Кремний и кислород, необходимые для производства нановолокон, – два наиболее распространенных вещества земной коры, что позволит сделать производство стабильным и недорогим. Более того, мы даже можем производить нановолокна тоннами, так, как мы это делаем сейчас в отношении оптических волокон для Интернета».

Новое изобретение стало результатом пятилетних исследований доктора Брамбиллы и профессора Пейна, проводимых за счет финансирования со стороны Королевского сообщества в размере 500 000 фунтов стерлингов. Доктор Брамбилла поделился результатами своих исследований с другими учеными на специальном семинаре, который он недавно организовал в Королевском общественном международном центре в Кавли (Чичели Холл, Бакингемшир).

«Это был вызов для нас – работа с волокнами, которые были настолько маленькими. Они почти в 1000 раз тоньше, чем человеческий волос, и я работал с ними почти голыми руками, – говорит доктор Брамбилла. – Мне потребовалось некоторое время, чтобы привыкнуть к материалу. Но в конце концов я смог обнаружить, что кварцевые нановолокна становятся тем более прочными, чем меньше их размер. Фактически, если очень уменьшить нановолокна, они начинают удивительно вести себя. Они перестают быть хрупкими и не ломаются как стекло, а становятся податливыми и гнутся как пластмасса. Это означает, что их можно растягивать».

«До настоящего времени мы проводили в основном теоретические научные исследования нановолокон, однако в ближайшем будущем мы заинтересованы непосредственно в изучении практического применения этих волокон в современных технологиях», – добавляет доктор Брамбилла.