В МФТИ приложили ультразвуковую линейку к материалу будущего

Новый метод измерения нанотрубок, разработанный в России, упростит их широкое промышленное внедрение.

В МФТИ разработали метод определения диаметра и длины углеродных нанотрубок. Он заключается в том, что через раствор с нанотрубками пропускают ультразвук и измеряют его затухание по мере прохождения через жидкость. Новый метод может сыграть большую роль в промышленном производстве материалов, содержащих нанотрубки и потенциально предполагающих высокую прочность и высокую жёсткость. Соответствующая статья опубликована в Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.

Исследователи усовершенствовали метод ультразвуковой спектроскопии, позволив применять его на цилиндрических объектах (ранее он подходил только для сферических). Исходно метод основан на затухании волн на взвешенных в жидкости частицах благодаря вязкоупругому рассеиванию первых. Коэффициент затухания волн зависит как от размера частиц, так и от частоты ультразвуковой волны. Изменяя частоту волны, получают спектр затухания, то есть зависимость коэффициента затухания от меняющейся частоты. Такой спектр раньше не применяли к цилиндрическим частицам, ведь их длина отличается от диаметра, а во взвеси не всегда можно сказать, какой именно стороной нанотрубка развёрнута к источнику ультразвуковых волн.

Авторы работы предложили измерять спектры затухания ультразвука для двух состояний коллоида с нанотрубками. В первом состоянии трубки были ориентированы во взвеси хаотично. Во втором они все были ориентированы в одну сторону и перпендикулярны источнику ультразвуковых волн. В последнем случае затухание ультразвука зависит только от диаметра цилиндрических объектов. Сравнивая два спектра для разных ориентаций нанотрубок, можно получить соотношение их длины и диаметра. Поскольку диаметр трубки при производстве более жёстко контролируется, чем её длина, измеряющая система знает его, а имея его соотношение с длиной, легко вычисляет и её.

Чтобы добиться второго состояния, когда наноцилиндры ориентированы в одну сторону, исследователи заставили водную взвесь с ними двигаться ускоренно. Для этого её пропустили через сужающийся канал. Чтобы проверить надёжность метода, размеры нанообъектов затем повторно измерили с помощью просвечивающего электронного и атомно-силового микроскопов. В промышленном производстве такая проверка вышла бы слишком долгой и дорогой. Однако в лаборатории она позволила подтвердить, что новый ультразвуковой экспресс-метод не только быстр и дёшев, но и весьма точен.

Углеродные нанотрубки считаются крайне перспективным материалом. Обогащённые ими композиты прочнее, гибче и жёстче аналогов. Добавление нанотрубок в анод литийионного аккумулятора значительно повышает его энергоёмкость.

Введение трубок в композиты часто осуществляется именно с помощью коллоидных растворов. Чтобы такое введение было эффективным, надо, чтобы нанообъекты распределялись в объёме растворителя однородно, не слипаясь в комки, иначе получаемые наноматериалы выйдут некачественными. Поэтому в промышленной технологии важно контролировать и быстро измерять длину и диаметр цилиндрических нанообъектов, а также степень их слипания в жидкости. Ультразвуковой метод предлагает наиболее оптимальный из известных на сегодня способ решения этой проблемы.