Ученым удалось создать материал для искусственных мышц, которые могут одинаково хорошо работать в жидком азоте и расплавленном железе. Гель чуть тяжелее воздуха, жёстче стали и эластичней резины за миллисекунды расширяется втрое и становится плотнее, когда его растягивают.Помните кинофильм «Терминатор-2: Судный день»? Так вот, если бы его снимали не 18 лет назад, а сегодня, авторам пришлось бы долго чесать в затылке, чтобы избавиться и от героя Арнольда Шварценеггера, и от его более совершенного аналога T-1000. Первый вполне мог бы выжить в расплавленном железе, а второй – не рассыпаться на мелкие осколки под ливнем жидкого азота.
Учёные из Института нанотехнологий при Техасском университете в Далласе создали удивительный материал, который можно использовать для создания искусственных мускулов. Лента из многостенных углеродных нанотрубок жёстче, чем сталь, эластичней, чем резина, способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, прозрачна, хорошо проводит ток и превосходно работает в диапазоне температур от –200 до +1600 по Цельсию. А может даже и при более экстремальных температурах. Указанные пределы – это границы, в которых авторам работы удалось проверить свойства материала. Среди авторов немало учёных с русскими фамилиями, а руководит исследованиями профессор химии Техасского университета, директор университетского Института нанотехнологий Рей Бомен.
Новый материал – аэрогель из многослойных углеродных нанотрубок, то есть вещество, большую часть объёма которого занимает воздух. Благодаря этому ленты из него почти невесомы: кубометр воздуха весит 1,2–1,3 кг, а кубометр аэрогеля весил бы 1,5 кг, если бы кому-нибудь в голову пришло насинтезировать так много этого материала. Пока что его синтезируют полосками толщиной 0,05 миллиметра, шириной в несколько сантиметров и длиной под метр; всего 3-мя граммами таких ленточек можно покрыть сотку земли. Этот сверхлегкий материал состоит из углеродных нановолокон, похожих на рулоны огородной сетки-рабицы, только не с ромбовидными, а шестиугольными ячейками, в вершинах которых сидят атомы углерода; в среднем в каждом рулоне 9–10 слоёв «сетки».
Кажется, что у нового материала удивительны и часто уникальны все механические свойства. Можно начать с анизотропии – отличия механических свойств по разным направлениям. По словам Джона Мэддена из Университета канадской провинции Британская Колумбия, написавшего для Science комментарий к статье Бомена и коллег, на ощупь этот аэрогель «похож на алмаз и на резину одновременно». В продольном направлении (в котором ориентированы нанотрубки) аэрогель практически невозможно сжать на величину больше нескольких процентов, а в поперечных он сжимается лучше, чем самая мягкая резина.
Однако говорить, что он «прочнее стали», – неверно. В данном случае имеется в виду удельная жёсткость на единицу массы. Будучи в 5 тысяч раз менее плотным, чем сталь, аэрогель значительно уступает металлу, если сравнивать образцы одинакового объёма, – даже в том случае, если сжать ленту по толщине в 400 раз (как показали техасские учёные, при этом её механические свойства в других направлениях не меняются). Тем не менее, исключительная удельная жёсткость – большой плюс, к примеру, для космоса, где каждый грамм выведенного на орбиту оборудования может стоить тысячи и тысячи долларов.
Есть у материала и ещё одно удивительное свойство: он становится плотнее, когда его растягиваешь вдоль длины ленты, и менее плотным, когда сжимаешь в том же направлении. Коэффициент Пуассона, показывающий на сколько процентов расширяется вещество в стороны, когда сжимаешь его вдоль на 1%, составляет у аэрогеля около 15, в то время как у обычных веществ он не может превосходить 0,5. В отличие от всех других материалов, на дне Марианской впадины, под огромным давлением, равномерно приложенным со всех сторон, цилиндрик из аэрогеля стал бы не короче, а длиннее. Но самое интересное, конечно - это его электромеханические свойства, которые и позволяют надеяться на применение нового материала в качестве «искусственных мускулов» для роботов.
Если приложить к ленте высокое напряжение относительно «земли», он сильно и почти мгновенно – за миллисекунды – расширяется в поперечных направлениях. К примеру, если потенциал на ленте составляет 4 кВ, он почти вдвое распухает по ширине и почти втрое – по толщине. Это связано со взаимным электростатическим отталкиванием нанотрубок, на которых при таком напряжении оказывается исключительно много «лишних» электронов.
Одновременно, при этой зарядке материал чуть-чуть, на доли процента, сжимается в продольном направлении, что связано опять же с аномально высоким коэффициентом Пуассона. При этом развивается огромная сила. Если использовать сжатые в сотни раз плёнки (это, как мы помним, не меняет механических и электромеханических свойств), аэрогель оказывается в 30 раз сильнее биологических мышц. Грубо говоря, если своими руками вы можете лёжа поднять 150 кг, то такими же руками из «аэрогельных» мышц смогли бы выжать 5 тонн.
Впрочем, за счёт огромной жёсткости материала эта сила означает очень небольшое перемещение: поднять 5 тонн вы смогли бы не на метр, а лишь на несколько сантиметров. В работе аэрогель даёт лишь примерно 30% выигрыша против настоящих, живых мышц. Зато, учитывая его способность проводить тысячи сокращений в секунду, выигрыш в мощности может составить десятки и сотни раз.
Но использовать этот материал в протезах и трансплантатах пока никто не собирается – всё-таки необходимые для работы киловольты никак не похожи на потенциалы активации мышц в живых организмах. Да и про роботов учёные пока не особо задумываются. По их словам, прозрачный, проводящий, лёгкий аэрогель с очень необычными свойствами скорее найдёт своё первое применение в качестве электродов для органических светодиодов, солнечных батарей и подобных материалов. Но… Кто знает!
