Китайские ученые создали уникальный сухой клей на основе углеродных нанотрубок. Прочность сцепления в нем растет с увеличением температуры благодаря механизму соединения нанотрубчатых волосков и склеиваемых поверхностей. О разработке сообщает статья в журнале Nature Communications.
В зависимости от сферы приложения к разным видам клея предъявляются различные требования — от умеренной прочности и удобства использования в бытовых условиях, до экстремального сцепления и устойчивости в условиях высоких/низких температур при решении задач промышленного масштаба. Однако большинство известных сегодня видов клея претерпевают структурные изменения и теряют эффективность при эксплуатации в условиях повышенной температуры.
По словам авторов новой работы, склеивающие материалы на основе углеродных нанотрубок являются перспективными, поскольку такие материалы термически устойчивы и обладают хорошей электро- и температуропроводностью. Они работают по принципу лапок геккона — множество волосков за счет вандерваальсовых сил взаимодействия надежно сцепляются с поверхностью «насухо», причем нанотрубчатое соединение прочнее липучек геккона в десять раз. Однако до сих пор клей на основе углеродных нанотрубок не был широко распространен на практике из-за сложности подбора их оптимальной структуры.
В своей работе ученые создали двустенные углеродные нанотрубки оптимальной вертикально выровненной структуры: нанотрубки выращивали на специальной каталитической подложке из алюминия и железа, обдувая в процессе смесью газа. Далее верхний слой клея обрабатывали кислородной плазмой, что приводило к созданию большого количества узлов-липучек. Для измерения сдвиговой прочности исследователи изготовили «сандвич» из двух пластинок меди с нанотрубчатым клеем в виде начинки. Затем они подвергли «сандвич» нагреву с помощью горелки, исследуя структурные изменения материала с помощью сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и спектроскопии рамановского рассеяния.
Рекордные значения сдвиговой прочности сцепления оказались обусловлены механизмом нанопереплетения: узлы-липучки, образовавшиеся после обработки плазмой, ввинчиваются в неровности поверхности, а повышение прочности при увеличении температуры происходит за счет термической стабилизации ямок на поверхности. При нагревании от 196 до 1000 градусов Цельсия прочность соединения увеличилась примерно в 6,2 раза и достигла одного из самых высоких значений, известных для клея на основе нанотрубок — 143 ньютона на квадратный сантиметр. Материал также обладает высокой (и увеличивающейся с ростом температуры) температуро- ((1–2,5)*10-10 квадратных метров в секунду) и электропроводностью (105–106 сименс на метр), таким образом нанотрубчатый клей имеет потенциал для широкого применения в качестве электро- и температуропроводящего двустороннего скотча.
Вдохновение для создания «идеального» клея ученые черпают не только у представителей животного мира. Растение вьющийся плющ (Hedera helix) славится надежным сцеплением с поверхностью опоры, на которой он произрастает. Не так давно ученые раскрыли механизм его работы и научились воспроизводить растительный суперклей.