Долгое время считавшиеся одним из самых перспективных материалов современной технологической эпохи, углеродные нанотрубки (УНТ) вышли на новый этап развития благодаря созданию масштабируемого производственного процесса. Согласно результатам исследования, проведенного в Испании, волокна из УНТ обладают электропроводимостью, сопоставимой с показателями меди и алюминия. Это открытие даёт мощный импульс внедрению технологий электрификации в аэрокосмической отрасли, производстве электромобилей и беспилотных летательных аппаратов.
Борис Стулий
20 июля 2026
English version
Уникальное сочетание низкой плотности с высокими электрическими, тепловыми и механическими характеристиками делает углеродные нанотрубки (УНТ) идеальной основой для создания электрических проводников. Несмотря на микроскопические размеры, этот материал уже оказывает значительное влияние на отрасли – от электроники до аэрокосмической промышленности. Тем не менее, до недавнего времени УНТ не рассматривались как реалистичная альтернатива меди в промышленных масштабах. Новое научное исследование может изменить эту парадигму.
Работа, проведенная Мадридским институтом материалов IMDEA совместно с Мадридским политехническим университетом (UPM) и Сарагосским университетом (на базе Института нанонауки Арагона, INMA, CSIC-Unizar), показала, что УНТ обладают значительно лучшим соотношением массы и рабочих характеристик, а их абсолютные показатели электропроводности полностью соответствуют промышленным стандартам. Исследование, опубликованное в журнале Science (https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb0673), может стать ключом к трансформации аэрокосмической отрасли, электроники и производства аккумуляторов, где критически важны легкие и высокопрочные электрические кабели.
«Впервые исследователям удалось получить волокна из УНТ, чьи характеристики достаточно высоки, чтобы предложить реалистичную промышленную альтернативу традиционным проводящим материалам», – отметил ведущий научный сотрудник IMDEA Materials доктор Хуан Хосе Вилатела, один из авторов недавней публикации в Science.
Мировое производство углеродных нанотрубок (УНТ) стремительно растет в последние годы, а южнокорейская компания LG Chem входит в число ведущих производителей на глобальном рынке. Несмотря на активное наращивание производственных мощностей, массовое внедрение этой технологии сталкивается с рядом препятствий: высокими издержками производства, сложностями технологической обработки, а также потенциальными рисками для здоровья и экологии. Однако по мере того как научные изыскания позволяют преодолевать эти ограничения, УНТ становятся ключевым компонентом для создания высокопроизводительных материалов будущего.
Углеродные нанотрубки представляют собой микроскопические цилиндрические структуры, состоящие исключительно из атомов углерода. Их можно представить как листы графена, одного слоя атомов углерода, образующих гексагональную (шестиугольную) решетку, свернутые в трубку. Диаметр таких структур измеряется в нанометрах, тогда как длина может достигать нескольких микрометров, что придает материалу уникальную вытянутую форму с экстремально малым поперечным сечением.
Углеродные нанотрубки были впервые открыты японским физиком Сумио Иидзимой в 1991 году. Вскоре это открытие вызвало настоящий всплеск интереса, и научное сообщество выдвинуло множество теорий относительно возможных сфер их применения. Однако лишь к 2012 году производителям удалось разработать более практичные методы объединения углеродных нанотрубок. Последующие исследования подтвердили их особую ценность для аэрокосмической отрасли.
УНТ значительно легче традиционных материалов, таких как медь, но при этом обеспечивают высокую прочность и электропроводность. Их вес составляет всего около 10% от веса меди, что делает их идеальным решением для снижения массы летательных и космических аппаратов, позволяя существенно сократить расход топлива и эксплуатационные расходы. УНТ также находят применение в системах терморегулирования, радиационной защите и передовых светопоглощающих покрытиях. Они легко интегрируются в состав материалов, причем всего 2% УНТ в композите достаточно, чтобы придать ему электропроводность, необходимую для использования в космических условиях.
УНТ обеспечивают эффективное энергосбережение в температурном диапазоне от -60 до +100 °C. Кроме того, их прочность в 50 раз превышает прочность стали, что побуждает ученых исследовать потенциал этого материала для реализации футуристических проектов, таких как создание космического лифта.
Углеродные нанотрубки уже активно применяются при производстве литий-ионных аккумуляторов. Они улучшают электропроводность и помогают сохранять целостность структуры электродов, что позволяет существенно увеличить скорость зарядки батарей для электромобилей. Более того, использование УНТ продлевает срок службы аккумуляторов и повышает безопасность композитных электродов, предотвращая эффект теплового разгона. Наконец, малый вес и увеличенная площадь поверхности делают их более выгодными по сравнению с традиционными проводящими материалами. К примеру, 3-4 кг технического углерода, используемого при производстве электродов для тяговых батарей электромобилей, можно заменить всего 1 кг углеродных нанотрубок. Это, в свою очередь, позволит заметно снизить себестоимость производства.
Помимо аккумуляторных технологий, углеродные нанотрубки находят широкое применение в электронике. Они могут выполнять функции микроскопических проводников, транзисторов или датчиков. Высокая чувствительность позволяет им детектировать отдельные молекулы в газах и жидкостях, что делает материал крайне востребованным в сферах экологического мониторинга, медицинской диагностики и обеспечения безопасности. В области оптики УНТ используются при создании дисплеев и светоизлучающих устройств, а в материаловедении и механике – для производства сверхпрочных волокон и композитов.
Несмотря на эти преимущества, использование углеродных нанотрубок (УНТ) сопряжено с рядом серьезных вызовов. Одним из главных препятствий остается высокая стоимость: производство высококачественных нанотрубок требует сложных и энергоемких технологических процессов. Это сдерживает их массовое внедрение, делая их применение более затратным по сравнению с традиционными литий-ионными технологиями.
Еще одной проблемой является сложность обработки материала. Углеродные нанотрубки склонны к слипанию, образуя агломераты, которые трудно равномерно диспергировать. Достижение гомогенного распределения имеет решающее значение для стабильных характеристик конечного продукта, особенно при создании композитов и аккумуляторов. Кроме того, производственные примеси могут снижать эффективность материала, требуя дополнительных этапов очистки.
Не остаются в стороне и вопросы экологической и медицинской безопасности. Ряд исследований указывает на то, что определенные виды углеродных нанотрубок, в частности длинные многостенные структуры, при вдыхании могут проявлять свойства, схожие с асбестовыми волокнами. Из-за своих микроскопических размеров они способны проникать глубоко в дыхательную систему и накапливаться в легких, что в долгосрочной перспективе чревато негативными последствиями для здоровья.
Несмотря на эти трудности, будущее углеродных нанотрубок (УНТ) представляется весьма перспективным. Производственные мощности за последние два десятилетия существенно выросли, а глобальные объемы выпуска увеличиваются параллельно с ростом спроса. Ожидается, что эта тенденция сохранится, что приведет к снижению себестоимости и более широкому промышленному внедрению материала.
Недавнее исследование испанских ученых стало новым многообещающим прорывом в технологии создания волокон из УНТ. В работе показано, что метод газовой интеркаляции позволяет существенно повысить электропроводность коммерческих волокон из УНТ, преодолев прежние технологические ограничения. Это обеспечивает как рекордно высокие показатели проводимости, так и потенциал для их дальнейшего роста. Данное достижение имеет критическое значение для развития новых транспортных технологий, будь то электромобили, беспилотные летательные аппараты или авиация, где требуется использование большого количества проводников при минимально возможной массе.
