Углеродные нанотрубки (УНТ) — перспективный материал, который планируется использовать в широком спектре отраслей — от производства велосипедов до микроэлектроники. Однако, как недавно выяснилось, даже минимальное нарушение атомной структуры УНТ приводит к падению их прочности на 50%. Это ставит под сомнение возможность строительства космического лифта из материала на основе углеродных нанотрубок.

Прочность УНТ определяется их атомной структурой — каждая трубка имеет стенку толщиной всего один атом углерода, а сами атомы образуют гексагональную решетку. Согласно теоретическим расчетам, предел прочности на разрыв для каждой нанотрубки составляет 100 ГПа. Это делает УНТ одним из самых прочных материалов. К сожалению, волокно, полученное из нанотрубок, будет иметь существенно меньшую прочность — всего 1 ГПа.

К такому выводу пришли специалисты Гонконгского политехнического университета под руководством профессора Фэна Дина (Feng Ding). Ученые моделировали дефектные нанотрубки, в которых не хватало атомов или их было больше, чем необходимо. Ячейки атомной решетки из шестиугольников превращались в пятиугольники и семиугольники. Также исследователи проанализировали нанотрубки с изломами. Как оказалось, даже единичных дефектов в атомной структуре было достаточно для падения прочности нанотрубок до 40 ГПа, причем эффект быстро усиливался с увеличением количества смещенных атомов.

Моделирование показывает, что излом нанотрубки становится слабым местом, с которого может начаться цепной распад углерод-углеродных связей. Еще сильнее этот эффект проявляется, когда нанотрубки сплетены в волокно — как только одна УНТ разрушается, нагрузка на остальные резко возрастает, и они также лопаются.

По данным ученых, лишь одного лишнего атома будет достаточно, чтобы значительно ослабить все УНТ-волокно.

«Только углеродные нанотрубки идеального качества могут сохранять максимальную прочность. Такие УНТ слишком трудно производить в достаточном количестве», — заявил Дин.

Это плохая новость для тех, кто собирался строить космический лифт из материала на основе УНТ. По расчетам ученых, прочность троса на разрыв в такой конструкции должна быть не меньше 50 ГПа, поэтому долгое время считалось, что углеродные нанотрубки отлично подойдут для этих целей. Однако Дин считает подобную конструкцию невозможной.

«Если проблема дефектов атомной структуры не будет решена, использовать УНТ при строительстве космического лифта будет бессмысленно», — сказал Дин.