Нанотрубки следят за мостами

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Это история о пользе нанотехнологий, в которых главную роль играют ничтожные по размерам нанообъекты. И тут возникает проблема с понимаем степени этой ничтожности, особенно когда надо объяснить ее школьникам.

Поделюсь с вами прекрасными метафорами, которые помогают понять или объяснить, что такое 1 нанометр.

Вот вам образ от профессора химии Владимира Зинуровича Мордковича, нашего автора. Один нанометр — это диаметр трубочки для коктейля, если коктейль пьет микроб. Понятно, что здесь надо представлять размер микроба. Но школьники интуитивно гораздо более точно представляют эту сущность, нежели нанометр.

А вот еще один физиологический факт, весьма наглядный: ваш ноготь за одну секунду вырастает на 1 нанометр.

Нанообъекты интересны тем, что они кардинально изменяют свои свойства по отношению к макроматериалу. Они меняют цвет, проводящие и оптические свойства и многие другие физические параметры. Все мы знаем, что золото — это инертный и благородный металл, который ни с чем не взаимодействует. Но если измельчить его до наночастиц, то мы получим чрезвычайно реакционноспособное вещество, которое может работать катализатором в химических реакциях.

Так что нанообъекты призваны удивлять исследователей. И хотя нанотехнологии служат человеку уже не одну сотню лет, а Природе — с первого дня ее появления, исследователи продолжают с восторгом наблюдать за новыми и необычными свойствами нанообъектов. Тут только успевай придумывать, где и как использовать то или иное необычное наносвойство.

Двадцать лет назад исследователи обнаружили еще одну интересную способность углеродных нанотрубок. Под действием механического напряжения — растяжения, сжатия, изгиба, в общем, деформации материала — трубки начинают флуоресцировать в ближнем инфракрасном диапазоне.

Спустя десять лет в Университете Райса сделали тензочувствительную краску. Покрасишь такой краской мосты, здания, корабли и самолеты — и невидимые глазу напряжения и деформации в этих конструкциях, предвестники больших трещин и разрушений, станут видимыми. Авторы назвали эту тензокраску интеллектуальной оболочкой.

А по сути, это чувствительная искусственная кожа. Она состоит из трех слоев. Первый тончайший и прозрачный слой — это гибкий полимер полиуретан. На него распыляют взвесь нанотрубок в толуоле. Толуол быстро испаряется, а чувствительный слой нанотрубок остается. Сверху его покрывают еще одним полиуретановым слоем, чтобы кожа сохранила работоспособность в течение многих лет. И все это прочно прикреплено к поверхностям, где нужно контролировать деформации.

А недавно Университет Райса представил уже полную бесконтактную оптическую систему мониторинга деформаций — не только тензочувствительную краску, но и портативное оборудование для считывания информации с этой краски: лазер для возбуждения нанотрубок и портативный спектрометр, чтобы увидеть, насколько они напряжены, то есть насколько интенсивно они светятся.

Систему испытали и на бетоне, и на металлах, и на пластиках. Работает отлично. Но этого недостаточно. Чтобы попасть в промышленность, необходима экономическая целесообразность. И в данном случае она есть. Предлагаемая система в несколько раз дешевле той, что используют сегодня для контроля деформации конструкций — с помощью тензодатчиков. Эта старая система, к которой, впрочем, привыкли, не только сложнее в обслуживании и работе, но и дороже в несколько раз.

Честно говоря, редкий случай, когда экономическая целесообразность становится на сторону инноваторов. Поздравляю.