Ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (США) придумали новый способ делать углеродное волокно и другие композиты прочнее. Они добавили в материал углеродные нановолокна, которые работают как клей — соединяют волокна и полимерную матрицу, делая материал одновременно легким и устойчивым к нагрузкам.

Результаты опубликованы в издании Advanced Functional Materials.

Это открытие может изменить производство самолетов, машин и даже элементов инфраструктуры.

Проблема в том, что углеродные волокна плохо сцепляются с полимером, — объясняет Сумит Гупта, руководитель проекта. — Раньше пробовали либо химическую обработку, либо механическую, но по отдельности это работало слабо. Мы совместили оба метода и получили материал в два раза прочнее.

Секрет — в технологии электроспиннинга. Через электрическое поле вытягивают сверхтонкие нити из полиакрилонитрила (это основа для углеродного волокна). Они оседают на вращающийся барабан, покрытый углеродной тканью. Меняя напряжение, скорость вращения и другие параметры, можно управлять структурой волокон: одни образуют химические связи с матрицей, другие — механически сцепляются с углеродными нитями, создавая «мостики».

Команда уже подала заявку на патент и ищет промышленных партнеров. Технология удешевит производство: если волокна лучше держатся, их можно использовать меньше или брать даже короткие обрезки, которые раньше шли в отходы.

Чтобы разобраться в деталях, ученые использовали мощные микроскопы, рентгеновские методы и даже суперкомпьютер Frontier.

Без таких ресурсов, как в Ок-Ридж, мы бы не смогли так точно настроить процесс, — говорит исследователь Крис Боуленд.

Сейчас команда экспериментирует с другими композитами и думает, как добавить в материал датчики для самодиагностики — например, чтобы детали в самолете сами сообщали о повреждениях.

Главный плюс — экономия. Если композиты станут прочнее, можно:

• Уменьшить вес машин и самолетов → снизится расход топлива.
• Использовать дешевые короткие волокна → производство станет доступнее.
• Расширить применение: например, строить мосты из углеродного волокна, которые не ржавеют.

Еще один момент — экология. Легкие материалы сократят выбросы CO₂, а долговечность уменьшит частоту замены деталей.

Пока неясно, насколько метод масштабируем. Электроспиннинг требует точного контроля параметров — в промышленных условиях это может быть дорого. Кроме того, исследователи тестировали технологию в лаборатории, а реальные нагрузки (например, перепады температур в авиации) могут повлиять на результат.

Ранее ученые создали нанопленку, укрощающую огонь.