Napravljeno najčvršće vlakno

Najčvršće vlakno je, zna se, ugljikova nanocjevćica (carbon nanotube, CNT), dakle grafitna mreža savijena u valjak. Tako kaže teorija. Lijepo, no tko da objesi nešto, pa bila to i (recimo) mravlja noga, za samo jednu molekulu, što ugljikova nanocjevćica zapravo jest? Očito je da tu cjevćicu, kao osnovnu nit, treba uplesti u nešto veće, nešto nalik užetu. Samo kako?

Na to je pitanje jasan, eksperimentalan odgovor dala skupina kineskih znanstvenika te ga nedavno, u srpnju ove godine, objavila u časopisu Nature Nanotechnology pod naslovom „Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa“. Naslov je lako prevesti, „Snopovi ugljikovih nanocjevćica s prekidnom čvrstoćom većom od 80 GPa“, no da bi ga i laik mogao razumjeti treba reći da najčvršći čelik, onaj od kojeg se prave žice za glasovir, ima prekidnu čvrstoću od „samo“ dva gigapaskala, dakle četrdeset puta manju od vlakna što su ga napravili kineski znanstvenici, piše Bug.hr.

Ima, dakako, i čvršćih materijala od čelika, poput kevlara (od kojeg se izrađuju kacige i za tanad neprobojni prsluci) no čvrstoća kevlara iznosi 3,6 GPa, što znači da je kevlarsko vlakno dvadeset puta slabije od ovoga novoga, nanocjevnoga. Bi li nanocjevćica mogla držati mravlju nogu ne bih znao reći, no iz prekidne čvstoće nanocjevnog vlakna može se lako izračunati da bi se za takvo vlakno debelo samo jedan milimetar mogao objesiti teret od osam tona a da ne pukne. Kako je to moguće?

Moguće je jer da pukne trebale bi prije popucati kemijske veze između ugljikovih atoma u grafitnoj mreži (čija struktura, da se podsjetimo, sliči mreži na nogometnim vratnicama), a to znači vlačnom silom izazvati kemijsku reakciju. No od tog čisto teorijskog objašnjenja mnogo je zanimljivije kako su znanstvenici uspjeli napraviti vlakno od ugljikovih nanocjevćica.

Kao prvo, nanocjevno vlakno ne izgleda poput užeta ili konca. Ono nije usukano, još manje su nanocjevćice smotane kaotično, nego se sve protežu paralelno jedna s drugom (CNT bundle, CNTB). To se moglo ostvariti tehnologijom poznatom kao CVD (gas-flow-directed chemical vapour deposition), dakle rastom nanocjevćica reakcijom u plinu. Time je dobiven ne samo paralelan snop od nekoliko (2-15) nanocjevćica, nego su one bile duge i nekoliko centimetara – što je fantastično uzimajući u obzir sićušnost atoma i molekula.

Promjer nanocjevćice iznosi naime tek nekoliko nanometara, pa bismo je mogli usporediti s milimetar debelom niti koja se neprekinuta proteže nekoliko tisuća kilometara. No unatoč toj nevjerojatno dugoj molekuli, njome se nisu iscrpile mogućnosti niti dosegli tehnološki zahtjevi nanocjevnog vlakna. Time ne mislim samo na to da je krajnja granica takve tehnologije prekidna čvrstoća nanocjevćice (teoretski 300 GPa) nego i na primjenu takve tehnologije.

Flaks debljine paučine san je svakog ribiča, a uže debljine flaksa za koje bi se mogao vezati i najveći brod san je svakog mornara, no to su ipak premali poticaji za razvoj nove tehnologije. Zahvaljujući nanocjevnim vlaknima mogli bi se napraviti oklopi mnogo čvršći od onih kevlarskih koji bi usto bili otporni na vatru, jer je nanocjevćica zapravo oblik grafita, a grafit je izrazito vatrootporan materijal - od njega se primjerice izrađuju kalupi za lijevanje kovina (talište mu je čak 3500 oC).

No ono što znanstvenici imaju prvo na umu učiniti sa svojim supervlaknom je pripomoći izgradnji svemirskog lifta, uređaja za putovanje u svemir uspinjanjem po užetu koje bi se protezalo – razumije se – od zemlje do neba.

To je stara zamisao, potječe još od Ciolkovskog… no to nas ne bi trebalo zavesti. U fizičkom smislu sve je jednostavno, no u tehničkom je smislu svemirski lift isto toliko neostvariv danas koliko je bio i u doba ruskog oca astronautike. Uže za uspinjanje na nebo trebalo bi imati dva uporišta: prvo bi bilo na površini Zemlje, a drugo na geostacionarnom satelitu. No takav satelit, koji obiđe naš planet za 24 sata pa se stoga pričinja kao da stoji na mjestu, moguće je smjestiti tek na visini od 35.800 kilometara.

Kako napraviti toliko dugo uže – a da ne pukne pod svojom težinom? Proračuni pokazuju da bi njegova specifična čvrstoća trebala iznositi najmanje 7,5 GPa cm3 g-1, što umnogome premašuje čvrstoću čelika (0,33 GPa cm3 g-1), pa i najčvršćih polimerenih vlakana (4 GPa cm3 g-1). Nova nanocjevna vlakna mogla bi udovoljiti tom kriteriju, pa ipak: kako napraviti nanocjevćicu (i to bez defekta) dugu ne nekoliko centimetara nego nekoliko tisuća kilometara?