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*.

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).

Алюминан™ – антипод углеродным нанотрубкам

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).

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.

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.