Наноцепь из микроскопических алмазов поможет строить космические лифты

Алмазные наноцепи помогут построить космический лифт

(иллюстрация Bruce Irving/Flickr).

Нанонити из микроскопических алмазов образовались в результате сжатия бензола

(иллюстрация Vincent Crespi lab, Penn State University).

В лаборатории университета Карнеги родился материал будущего, который может занять почётное место рядом с графеном и метаматериалами. Учёные создали ультратонкие нанонити из микроскопических алмазов, которые по прочности превосходят нанотрубки и полимерные волокна. Это вещество поможет создавать уникальные объекты, которые на сегодняшний день кажутся фантастикой, например, космические лифты.

Команда исследователей во главе с Джоном Баддингом (John Badding) из университета Пенсильвании для своей работы использовала специализированное устройство для сжатия бензола до 200 тысяч атмосфер. При таком огромном давлении бензол полимеризуется в длинные тонкие цепочки, составленные из гексагональных колец атомов углерода (расположение такое же как и в алмазах).

"Структура нашей нити — это сердце алмаза. Поэтому мы считаем, что прочность полученные наноцепи будут проявлять такую же", — поясняет Баддинг в пресс-релизе университета Карнеги.

Открытие также имеет значение и с точки зрения фундаментальной науки, поскольку нити образуют такую структуру, которую прежде никто не видел в природе (в алмазе наблюдаются объёмные структуры, а здесь, по сути, одномерные).

Алмазные наноцепи помогут построить космический лифт
Алмазные наноцепи помогут построить космический лифт
(иллюстрация Bruce Irving/Flickr).

Молекула, которую учёные использовали в эксперименте изначально, была плоским кольцом из атомов углерода, связанных друг с другом и с шестью атомами водорода. После сжатия при высоком давлении алмазные нанонити оказались окружены "облаками" атомов водорода. В процессе сжатия изначально плоские молекулы бензола образуют плотную кристаллическую систему. При плавном снижении давления молекулы бензола в какой-то момент реагируют друг с другом, образуя новые углерод-углеродные связи, а вся структура начинает выглядеть как растянутая длинная наноцепь.

Баддинг и его коллеги отмечают, что учёные на протяжении почти целого столетия пытались достичь успеха в этом эксперименте, но успешно провести опыт получилось только на этот раз.

"Мы использовали устройство для создания высокого давления Национальной лаборатории Oak Ridge, чтобы сжать куб бензола со стороной шесть миллиметров. Это огромное количество по сравнению с предыдущими экспериментами", — рассказывает Баддинг, который стал соавтором статьи об открытии, опубликованной в журнале Nature Materials.

Также этот эксперимент является первой успешной попыткой заставить молекулы, содержащие ароматические углеродные связи, образовать более крупные масштабные молекулярные структуры в форме длинных тонких нанонитей. Ширина нити составляет всего несколько атомов, что в сотни раз меньше ширины оптического волокна и более чем в 20 тысяч раз меньше, чем средняя ширина человеческого волоса.

Нанонити из микроскопических алмазов образовались в результате сжатия бензола
Нанонити из микроскопических алмазов образовались в результате сжатия бензола
(иллюстрация Vincent Crespi lab, Penn State University).

Команда Баддинга изучала структуру полученных наноцепей при помощи ряда передовых технологий. Пристальный анализ показал, что частично структура волокна оказывается далека от совершенства. Поэтому физикам предстоит в ближайшее время разработать способ создания идеальных алмазных волокон, а также измерить их прочность, чтобы определить точный спектр потенциальных практических применений.

Впрочем, уже сейчас учёные отмечают, что с использованием таких передовых материалов, которые отличаются феноменальной прочностью, можно строить объекты, прежде считавшиеся фантастическими. Так они полагают, что из алмазных нанонитей вполне можно сконструировать космический лифт, который будет доставлять космонавтов на МКС или даже на Луну без использования ракет.

Об этой заманчивой идее инженеры говорят уже давно. А недавно представители японской компании Obayashi Corporation заявили, что космический лифт может быть построен уже к 2050 году. Инженеры пока планируют использовать для своей работы углеродные нанотрубки, но когда они ознакомятся с работой Баддинга и его коллег, то, кто знает, могут пересмотреть чертежи и даже, возможно, сократят сроки работ.