Исследователи из Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Харбинского политехнического университета и Университета Цзянсу (Китай) опубликовали работу, в которой представили первую эмпирическую модель для объяснения и прогнозирования сенсорного поведения иерархических трехфазных систем на основе углеродных нанотрубок в широком диапазоне температур (от –170 °C до 90 °C).
Углеродные нанотрубки / © Dr. Diego García
Однослойные углеродные нанотрубки считаются основой передовых многофункциональных материалов и могут производиться в виде порошков, пленок или волокон. В этом исследовании авторы объединили несколько форм, чтобы определить практические ограничения «умных» материалов, которые могут повлиять на их применение в качестве датчиков в экстремальных условиях. Исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в журнале Carbon.
«Волокна из однослойных углеродных нанотрубок и нанокомпозиты на их основе — это универсальные материалы. Они прочные, обладают высокой проводимостью и чувствительны к механической деформации, химическим веществам и перепадам температуры, — поясняет Никита Гордеев, аспирант программы «Физика» Сколтеха и первый автор статьи. — Однако эта мульти-чувствительность — обоюдоострый меч: если материал чувствителен ко всему одновременно, трудно определить, изменение какого параметра мы зафиксировали. Разделять такие сигналы — сложная задача, но ее решение позволяет понять, на что именно реагирует материал».
Команде удалось выяснить, что, несмотря на структурные различия, температурная зависимость электропроводности одно-, двух- и трехфазных систем подчиняется одному и тому же фундаментальному механизму: прыжковому переносу носителей заряда при криогенных температурах и металлическому рассеянию при высоких температурах.
Доцент Центра фотоники Сколтеха Дмитрий Красников подчеркнул простоту и универсальность этого результата: «Полученный, по сути, закон сложения сопротивлений встречается во многих разделах физики и естественных наук. Это одно из проявлений красоты природы, когда такая сложная многофазная система подчиняется столь универсальному и элегантному принципу».
«Материалы нового поколения позволяют упростить инженерные системы, используя один материал для выполнения задач, которые сегодня решаются набором различных систем и материалов. Нацеливая исследования на создание датчиков, которые в будущем будут интегрированы в рыночные продукты, мы обеспечиваем себе лидерство в их широкомасштабном внедрении. Для этого нам нужно понимать, как эти материалы взаимодействуют друг с другом, каковы их ограничения и что мы можем сделать для их улучшения», — отметил доцент Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Хассаан Ахмад Батт.
«Это исследование закладывает базис работы с иерархическими углеродными материалами, которые уже находятся на пороге промышленного внедрения, — комментирует профессор Альберт Насибулин, директор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха и руководитель Лаборатории наноматериалов. — Материалы на основе однослойных углеродных нанотрубок, бесспорно, впечатляют. Волокна из углеродных нанотрубок обладают исключительно высокой удельной проводимостью и могут быть интегрированы в аэрокосмические композиты в качестве датчиков или проводки без ущерба для материала-носителя. Равномерно диспергированные полимерные нанокомпозиты с однослойными углеродными нанотрубками обеспечивают многофункциональную основу, которую современное поколение композитов просто не может предоставить. Объединение этих двух подходов для создания „умных“ материалов, с самого начала спроектированных для обеспечения прочности, электрических и тепловых характеристик и мониторинга в реальном времени, — это следующий шаг. Однако понимание их сложного температурного поведения — уже другой уровень сложности. Благодаря этой работе мы теперь знаем, как меняются их сенсорные свойства при экстремальных температурах, которые испытывают крупные инженерные системы, например самолеты, и как отделить температурные эффекты от других внешних воздействий».