Номер 2, страница 150, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

2. Трос из углеродных нанотрубок являетсясамым прочным материалом. Можно ли его использовать при высоких температурах? Объясните, почему.

2. Использование троса из углеродных нанотрубок (УНТ) при высоких температурах возможно, но с очень важными оговорками, которые зависят от окружающей среды. Ответ не может быть однозначным «да» или «нет». Основная причина такой двойственности заключается в химической активности углерода при нагревании.

В вакууме или инертной атмосфере (например, в аргоне или азоте), где нет кислорода, углеродные нанотрубки демонстрируют выдающуюся термическую стабильность. Благодаря очень прочным ковалентным связям между атомами углерода (гибридизация $sp^2$, как в графене и графите), они могут выдерживать чрезвычайно высокие температуры. Их структура начинает разрушаться (сублимировать) только при температурах, близких к $2800 \, \text{°C}$, а некоторые исследования показывают стабильность и до $3500 \, \text{°C}$. В таких условиях трос из УНТ сохранит свою прочность при температурах, недостижимых для большинства металлов и сплавов.

В присутствии кислорода (на воздухе) ситуация кардинально меняется. Углерод, являясь основой нанотрубок, активно реагирует с кислородом при высоких температурах — происходит процесс окисления (горения). Поэтому на воздухе трос из УНТ начнет разрушаться при значительно более низких температурах. Температура начала окисления зависит от множества факторов, таких как дефекты структуры (любые дефекты являются центрами, с которых начинается окисление), чистота материала (примеси каталитических металлов снижают температуру окисления) и тип нанотрубок (многослойные УНТ обычно немного более стабильны, чем однослойные). В среднем, окисление углеродных нанотрубок на воздухе начинается в диапазоне температур от $400 \, \text{°C}$ до $750 \, \text{°C}$. Это означает, что при использовании на открытом воздухе трос из УНТ потеряет свои уникальные прочностные свойства при температурах, которые значительно ниже его теоретического предела в вакууме.

Таким образом, хотя трос из УНТ и является сверхпрочным, его применение в высокотемпературных условиях на воздухе ограничено. Для сравнения, многие жаропрочные сплавы могут работать при температурах до $1000–1100 \, \text{°C}$. Однако в космосе (вакуум) или в специальных установках с инертной средой углеродные нанотрубки являются одним из самых перспективных высокотемпературных материалов.

Ответ: Трос из углеродных нанотрубок можно использовать при высоких температурах, но его предельная рабочая температура критически зависит от окружающей среды. В вакууме или инертной атмосфере он сохраняет прочность до температур порядка $2800 \, \text{°C}$. Однако на воздухе из-за окисления (горения) углерода он разрушается уже при температурах $400–750 \, \text{°C}$, что существенно ограничивает его применение в таких условиях.