Физики из России и Португалии создали уникальный атомно-силовой микроскоп, способный изучать структуру и свойства нанотрубок, не повреждая их при этом, говорится в статье, опубликованной в журнале Ultramicroscopy.
"Увеличивать быстродействие компьютеров невозможно без эффективного охлаждения. Для этого можно использовать компактные устройства, похожие по принципам работы на обычный бытовой холодильник. Если сделать их из пептидных нанотрубок, мы сможем заметно уменьшить их размеры. Наша задача – как можно лучше изучить свойства нанотрубок и научиться эффективно их использовать",
— заявил Александр Целев из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году ученые считали, что их ожидает большое будущее в современной промышленности. У них есть множество полезных свойств – они хорошо проводят тепло и ток, отличаются высокой прочностью и механической устойчивостью. Но первые же опыты показали, что нанотрубки очень сложно использовать на практике из-за их малых размеров и сложностей в их соединении и сплетении в единые волокна.
Большие проблемы, как отмечают ученые, создает и то, что характеристики нанотрубок резким образом меняются при увеличении их диаметра или повышении числа слоев внутри них. По этой причине большая часть наноматериалов изготавливаются из нанотрубок конкретной толщины и длины, и ошибки при их выращивании сделают подобную продукцию бесполезной.
Измерение диаметра и других свойств нанотрубок, как отмечают Целев и его коллеги, затруднено тем, что самый удобный инструмент для проведения подобных замеров, атомно-силовой микроскоп, разрушает их при попытке "заглянуть" внутрь этих структур и измерить их свойства.
С одной стороны, это не мешает изучению нанотрубок в лаборатории, но с другой стороны, это не позволяет использовать микроскопы для проверки свойств этих структур при их промышленном производстве, когда необходимо, чтобы "подопытные" материалы пережили контакт с иглой микроскопа.
Российские и португальские ученые решили эту проблему очень простым и неортодоксальным способом, заметив, что нанотрубки не деформируются и не разрушаются в тот момент, когда игла микроскопа в первый раз касается их. Все проблемы возникают позже, когда она начинает двигаться вдоль изучаемого материала.
"После каждого измерения иголка отводится от поверхности, образец немного смещается, и иголка опускается уже к новой точке. Мы не царапаем поверхность, а аккуратно прощупываем сверху, и мелкие незафиксированные объекты остаются целыми. Для этого, кроме алгоритмов измерения, мы разработали высокоскоростную электронику, которая постоянно в реальном времени обрабатывает сигнал взаимодействия иглы с поверхностью", — объясняет Арсений Калинин, ведущий автор статьи.
Используя эту методику, российские и португальские физики измерили свойства нанотрубок, изготовленных из коротких белковых молекул. Благодаря этой методике, ученые впервые смогли напрямую измерить то, как сильно меняются размеры этих нанотрубок под действием электрических полей.
"Пьезоэлектрический эффект позволяет преобразовать электрический сигнал в механический и наоборот. По такому принципу работают, например, микрофоны, аппараты УЗИ и миниатюрные моторы в объективах камер. Обычно пьезоэлектрические свойства и упругость измеряют по отдельности. Новым методом мы можем измерить их одновременно и при этом не разрушать объекты изучения", — заключает физик.