Алюминан – антипод углеродным нанотрубкам
Как известно, на углеродные нанотрубки возлагаются большие надежды в части уменьшения массы техносферы и повышения её энергоэффективности. Считается, что углеродные нанотрубки являются универсальным армирующим элементом, который, в конечном итоге, позволит упрочнить большинство конструкционных материалов, от бетонов до полимеров и металлов. В настоящее время большинство конструкций, от строительных до транспортных, имеют вес, намного превышающий вес полезной нагрузки, которую они несут. То есть конструкция в основном работает на саму себя, и в малой степени на свою полезную функцию*.
*это является одной из причин, почему, например, из обычных материалов нельзя построить «космический лифт». Начиная с определённой длинны каната, его прочность становится недостаточной для того, чтобы выдерживать свой собственный вес.
Если прочность конструкционных материалов будет повышена, то вес конструкций снизится, без уменьшения допустимого веса полезной нагрузки. Причём снижение веса произойдёт нелинейно, поскольку, если, например, повысить прочность материала моста в 2 раза, то сечение опоры моста может быть уменьшено более чем в 2 раза, так как кроме увеличения прочности также снизится нагрузка на мост (из-за уменьшения массы самого моста). Уменьшение массы стационарных и мобильных конструкций приведёт к повышению энергоэффективности техносферы через снижение как разовых затрат энергии, которые необходимо потратить при создании стационарного объекта (например, при строительстве моста или здания), так и регулярных затрат энергии, в случае мобильных конструкций (транспорт).
Модель кристаллической структуры углеродной нанотрубки
И хотя проникновение углеродных нанотрубок в объекты техносферы постепенно происходит, чему мы очень рады, но темпы данного проникновения оказались существенно ниже ожиданий. Это связано со следующими факторами:
  1. Сложность однородного распределения углеродных нанотрубок в материале. Существующие методы промышленного синтеза приводят к той или иной степени спутанности нанотрубок. Если что-то спуталось в процессе своего роста, то потом его очень трудно распутать.
  2. Относительная сложность обеспечения эффективного «пришивания» нанотрубок к матрице того материала, в котором они распределены. Поверхность углеродных нанотрубок представляет собой двумерный кристалл, и по этой причине является достаточно «скользкой». Хотя для ряда материалов удалось найти эффективное решение по «пришиванию» нанотрубок, в общем случае это продолжает оставаться проблемой.
  3. При повышенных температурах углеродные нанотрубки горят в окислительной среде, превращаясь в углекислый газ. Это является одной из основных причин отсутствия эффективных технологий введения углеродных нанотрубок, например, в расплав металлов.
  4. Углеродные нанотрубки – чёрные, и оказывают существенное влияние на цвет красок или полимерных изделий, которые они упрочняют.
  5. Высокая стоимость углеродных нанотрубок относительно тех материалов, которые они должны упрочнять.
В нашем проекте мы заменили углерод на алюминий и научились синтезировать объекты, которые, как и углеродные нанотрубки, являются прочными длинными нанонитями диаметром менее 5 нм, но при этом в ряде своих свойств противоположны углеродным нанотрубкам:
  1. Углеродные нанотрубки являются одними из лучших проводников электричества, в то время как нановолокна Алюминан относятся к рекордным диэлектрикам. Это не позволяет реализовывать те функции, в которых нужна электропроводность, зато позволяет упрочнять материалы, требующие высоких диэлектрических свойств (например, электротехнические керамики, определённые резинотехнические изделия и др.).
  2. Углеродные нанотрубки спутываются в процессе роста, нановолокна Алюминан идеально уложены параллельно друг другу (даже при крупнотоннажном производстве) и легко разъединяются друг от друга при введении в упрочняемый материал.
  3. Углеродные нанотрубки являются двумерным кристаллом, нановолокна Алюминан – это классический трёхмерный кристалл, к поверхности которого легко «пришить» различные функциональные группы.
  4. Углеродные нанотрубки горят, нановолокна Алюминан уже являются «продуктом горения» алюминия, поэтому сгореть они не могут. По этой причине, в частности, их можно вводить в расплавы металлов при крупнотоннажном литейном производстве.
  5. Углеродные нанотрубки – чёрные, нановолокна Алюминан – прозрачные (даже в больших скоплениях). Алюминан оказывает слабое окрашивающее воздействие на упрочняемый материал.
  6. Стоимость углеродных нанотрубок стремительно снижается, поэтому в этом аспекте полным антиподом Алюминан назвать нельзя, но и здесь имеется отличие: себестоимость Алюминан при крупносерийном производстве может приблизиться к $10 за 1кг, что вряд ли достижимо для углеродных нанотрубок. Указанный уровень себестоимости сильно расширяет применение нановолокон Алюминан в различных сферах, в том числе в строительстве (с учётом малой массовой доли нановолокон в упрочняемом материале).
Модель кристаллической структуры оксида алюминия
На наш взгляд, углеродные нанотрубки и нановолокна Алюминан будут всегда параллельно присутствовать в техносфере в качестве универсальных упрочняющих добавок и взаимно дополнять друг друга. Некоторые полезные свойства этих объектов взаимно противоположны, что даёт преимущество в тех или иных приложениях (нельзя также исключать синергию от одновременного применения углеродных нанотрубок и нановолокон Алюминан для упрочнения некоторых материалов, что, скорее всего, найдёт своё подтверждение). Однако есть основания считать, что по скорости внедрения нановолокна Алюминан смогут обойти углеродные нанотрубки и быстрее занять значимую часть рынка, несмотря на фору у нанотрубок почти в 30 лет по времени процесса внедрения. По крайней мере, наши первые работы по упрочнению различных материалов быстро дали яркие результаты, вплоть до получения промышленных образцов продукта, о чём можно прочитать в соответствующем разделе.
Следует отметить, что волокна оксида алюминия производились и до нашего проекта, но, благодаря предложенному новому принципу синтеза, они впервые имеют диаметр до 3-5 нм и стоимость до 10$ за 1кг. Указанный новый принцип синтеза обеспечивает синтез нановолокон также из оксидов других металлов, но свойства данных нановолокон нам ещё предстоит изучить.