Провода из нанотрубок превзошли по проводимости медь равной массы

Несмотря на превосходящую медь проводимость отдельных углеродных нанотрубок, свитая из них нить серьёзно страдает от механических дефектов. Впрочем, американским исследователям уже удалось добиться проводимости, позволяющей нанотрубочному проводу, по весу равному медному, передавать ток с меньшими потерями.

Отдельная нанотрубка может передать в тысячу раз больше тока, чем аналогичного сечения медь, однако при свивании в провод ничего подобного не получается: идеального контакта между нитями там нет, поскольку нужные технологии соединения никак не удаётся отработать.

Нанотрубочные провода, разрушенные омическим нагревом в разных условиях. И в газах, и в вакууме на единицу веса они показали лучшие качества, чем медь. (Здесь и ниже иллюстрации Kono Lab / Rice University.)

Новый метод мокрого свивания волокна из нанотрубок представлен учёными из Университета Райса (США) во главе с Юничиро Коно (Junichiro Kono), год назад уже пытавшимися обогнать медь. Тогда, однако, успех был ограниченным: проводимость всё ещё слегка недотягивала. Сейчас материаловеды свивали провод сразу из нескольких разновидностей нанотрубок — как с однослойными, так и с многослойными стенками. В итоге при толщине всего в 20 мкм (тоньше человеческого волоска) он был не только много прочнее, но и в электротехническом смысле мощнее меди.

Кроме собственно проводимости, в экспериментах измерялось то, что в США и Канаде называют «способностью проводить ток» до выхода из строя (Ampacity), то есть максимальный ток, при котором проводник не начинает испытывать немедленное или постепенное снижение своих характеристик из-за перегрева и иных факторов.

Нанотрубочный провод испытывался как в воздушной среде, так и в вакууме, азотной и аргоновой атмосфере. Лучшие результаты были достигнуты в азотной атмосфере, хотя и аргон с обычным воздухом справились неплохо — благо конвекция могла охлаждать провод. Худшие параметры были в вакууме, где нанотрубочный провод мог охлаждаться только излучая, то есть при малых температурах.

В итоге параметры провода оказались лучше любого образца, когда-либо испытывавшегося ранее, и хотя сопротивление меди на единицу площади сечения проводника всё ещё на порядок ниже, однако углеродный провод радикально легче — ведь и сам углерод не так тяжёл, да и зазоры между нанотрубками в нити весьма значительны. Поэтому на единицу массы провода нанотрубки показали проводимость вчетверо выше, чем у меди, — впервые в мировой практике.

Что особенно важно, в реальной жизни свободно висящие провода недостаточно прочны — в отличие от нанотрубочных, а потому в них присутствует стальная проволока, не дающая мягкому металлу, будь это медь или алюминий, провисать. Поскольку нанотрубки в подобном просто не нуждаются, будучи и без того прочными, их использование даст ещё больший выигрыш по весу.

Схема экспериментальной установки, на которой испытывались нанотрубочные провода.

Авторы технологии мокрого свивания нитей считают, что она может пригодиться в аэрокосмической отрасли, где проводов много, а вес сильно отражается на потреблении недешёвого топлива. Там пока более высокая (до начала массового производства) цена нанотрубок будет с лихвой компенсироваться снижением массы самолётов или космических аппаратов.

Особенно интересно, что сочетание исключительной прочности провода и его хороших электротехнических параметров позволяет запитывать им БПЛА, причём даже на довольно большой высоте — как подавая энергию его батарее с земли, так и получая её или нужную информацию (без демаскирующей радиопередачи) обратно. Совершенно очевидно, что подобные возможности исключительно востребованы и в гражданском, и в военном применении, что, впрочем, и так понятно по присутствию среди финансировавших разработку госструктур Отдела научных исследований ВВС США.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Advanced Functional Materials.

Подготовлено по материалам Университета Райса.