Мышцы суперкиборга

Если бы кинофильм «Терминатор-2: Судный день» снимали не 18 лет назад, а сегодня, авторам пришлось бы долго чесать в затылке, чтобы избавиться и от героя Арнольда Шварценеггера, и от его более совершенного аналога T-1000. Первый вполне мог бы выжить в расплавленном железе, а второй – не рассыпаться на мелкие осколки под ливнем жидкого азота.

Группа учёных из Института нанотехнологий при Техасском университете в Далласе создала удивительный материал, который можно использовать для создания искусственных мускулов.

Лента из многостенных углеродных нанотрубок жёстче, чем сталь, эластичней, чем резина, способна расширяться и сжиматься за миллисекунды, прозрачна, хорошо проводит ток и превосходно работает в диапазоне температур от –200 до +1600 по Цельсию.

А возможно, и при более экстремальных температурах. Указанные пределы – это границы, в которых авторам работы, опубликованной в сегодняшнем номере Science, удалось проверить свойства материала. Среди авторов работы немало учёных с русскими фамилиями, а руководит исследованиями профессор химии Техасского университета, директор университетского Института нанотехнологий Рей Бомен, оказавшийся ко всему прочему ещё и иностранным членом РАЕН, что в очередной раз подтверждает, что не место красит человека, а как раз наоборот.

Новый материал – аэрогель из многослойных углеродных нанотрубок, то есть вещество, большую часть объёма которого занимает воздух. Благодаря этому ленты из него почти невесомы: кубометр воздуха весит 1,2–1,3 кг, а кубометр аэрогеля весил бы 1,5 кг, если бы кому-нибудь в голову пришло насинтезировать так много этого материала. Пока его синтезируют полосками толщиной 0,05 миллиметра, шириной в несколько сантиметров и длиной под метр; всего 3 граммами таких ленточек можно покрыть сотку земли. Оставшиеся 200–300 граммов на кубометр, которые не компенсирует сила Архимеда, – это углеродные нановолокна, похожие на рулоны огородной сетки-рабицы, только не с ромбовидными, а шестиугольными ячейками, в вершинах которых сидят атомы углерода; в среднем в каждом рулоне 9–10 слоёв «сетки».

Кажется, что у нового материала удивительны и часто уникальны все механические свойства.

Можно начать с анизотропии – отличия механических свойств по разным направлениям. По словам Джона Мэддена из Университета канадской провинции Британская Колумбия, написавшего для Science комментарий к статье Бомена и коллег, на ощупь этот аэрогель «похож на алмаз с одной стороны и на резину с другой». В продольном направлении (в котором ориентированы нанотрубки) аэрогель практически невозможно сжать на величину больше нескольких процентов, а в поперечных он сжимается лучше, чем самая мягкая резина.

Правда, говорить, что он «прочнее стали», – лукавство. В данном случае имеется в виду удельная жёсткость на единицу массы. Будучи в 5 тысяч раз менее плотным, чем сталь, аэрогель значительно уступает металлу, если сравнивать образцы одинакового объёма, – даже в том случае, если сжать ленту по толщине в 400 раз (как показали техасские учёные, при этом её механические свойства в других направлениях не меняются). Тем не менее исключительная удельная жёсткость – большой плюс, к примеру, для космических приложений, где каждый грамм выведенного на орбиту оборудования может стоить тысячи и тысячи долларов.

Есть у материала и ещё одно удивительное свойство: он становится плотнее, когда его растягиваешь вдоль длины ленты, и менее плотным, когда сжимаешь в том же направлении. Коэффициент Пуассона, показывающий на сколько процентов расширяется вещество в стороны, когда сжимаешь его вдоль на 1%, составляет у аэрогеля около 15, в то время как у обычных веществ он не может превосходить 0,5. В отличие от всех других материалов, на дне Марианской впадины, под огромным давлением, равномерно приложенным со всех сторон, цилиндрик из аэрогеля стал бы не короче, а длиннее.

Но самое интересное, конечно, его электромеханические свойства, которые и позволяют надеяться на применение в качестве «искусственных мускулов» для роботов.

Если приложить к ленте высокое напряжение относительно «земли», он сильно и почти мгновенно – за миллисекунды – расширяется в поперечных направлениях. К примеру, если потенциал на ленте составляет 4 кВ, он почти вдвое распухает по ширине и почти втрое – по толщине. Это связано со взаимным электростатическим отталкиванием нанотрубок, на которых при таком напряжении оказывается исключительно много «лишних» электронов.

Одновременно, при этой зарядке материал чуть-чуть, на доли процента, сжимается в продольном направлении, что связано опять же с аномально высоким коэффициентом Пуассона. При этом развивается огромная сила. Если использовать сжатые в сотни раз плёнки (это, как мы помним, не меняет механических и электромеханических свойств), аэрогель оказывается в 30 раз сильнее биологических мышц.

Грубо говоря, если своими руками вы можете лёжа поднять 150 кг, то такими же руками из «аэрогельных» мышц смогли бы выжать 5 тонн.

Впрочем, за счёт огромной жёсткости материала эта сила означает очень небольшое перемещение: поднять 5 тонн вы смогли бы не на метр, а лишь на несколько сантиметров. В работе аэрогель даёт лишь примерно 30% выигрыша против настоящих, живых мышц. Зато, учитывая его способность проводить тысячи сокращений в секунду, выигрыш в мощности может составить десятки и сотни раз.

Но использовать этот материал в протезах и трансплантатах пока никто не собирается – всё-таки необходимые для работы киловольты никак не похожи на потенциалы активации мышц в живых организмах. Да и про роботов учёные пока не особо задумываются. По их словам, прозрачный, проводящий, лёгкий аэрогель с очень необычными свойствами скорее найдёт своё первое применение в качестве электродов для органических светодиодов, солнечных батарей и подобных материалов. Но чем чёрт не шутит.