Simuleringer åbner potentialet for kulstofnanorør til industrien

et cylindrisk netværk af molekyler kendt som carbon nanorør - tiltrækker stor opmærksomhed fra brancheforskere i disse dage.

Carbon nanorør (CNT'er) kan påføres som tilsætningsstoffer til forskellige strukturelle materialer gennem en proces kaldet adsorption, hvor de bruges til at ændre overfladen af ​​industrielle materialer for at opnå visse egenskaber, såsom vandafvisende belægninger til bilruder og hydrofile belægninger til kontaktlinser. Dette potentiale har tiltrukket interesse fra brancheforskere på mange områder, såsom luftfarts-/sømaterialer, nano-elektriske produkter, optiske enheder, kemiske sensorer, katalysatorunderlag, vand/gas behandlinger, stofbærere og kunstige væv.

CNT'er består af det samme element som diamanter, men med et andet strukturelt arrangement, og besidder ekstraordinær termisk, mekaniske og elektriske egenskaber. Individuelle nanorør indretter sig naturligvis i cylindriske "reb" holdt sammen af ​​van der Waals kræfter, tiltrækningskræfterne fundet blandt atomer, molekyler og overflader og forårsaget af korrelationer i fluktuerende polaritet for andre nærliggende partikler.

Sadhan C. Jana, Ph.d., professor i Polymer Engineering ved University of Akron (UA), har studeret disse molekylers interessante egenskaber ved at simulere disse mikroskopiske strukturer ved hjælp af de kraftfulde systemer i Ohio Supercomputer Center (OSC).

"Den største hindring for at realisere det fulde potentiale i CNT'er er dannelse af agglomerat på grund af van der Waals og elektrostatiske interaktioner mellem individuelle CNT -partikler, "forklarede Jana." Forskere har udtænkt flere metoder til at svække sådanne interaktioner. "

To store tilgange følges ved anvendelse af CNT'er på materialoverflader-kovalent og ikke-kovalent funktionalisering. I kovalent funktionalisering, kemiske bindinger dannes med overfladens carbonatomer, en proces, der ofte ændrer de grafitiske egenskaber ved CNT'er og kompromitterer molekylets elektriske ledningsevne og mekaniske styrke. I modsætning, ikke-kovalent funktionalisering anvender unikt designede bindemolekyler, et molekylært segment, der hjælper med at forbedre stabiliteten af ​​CNT'er ved at skabe "bånd" mellem CNT'erne og polymerkæder eller opløsningsmiddelmolekyler for at give enestående sejhed, slagfasthed og modstandsdygtighed over for revner.

"Simuleringerne af polymere nanokompositter i opløsning er CPU-intense opgaver, "sagde Jie Feng, en postdoktor, der arbejder sammen med Jana på UA. "I vores tilgang, simuleringsopløsningen øges for de dele, der er af største betydning, for eksempel, fænomenerne på eller i nærheden af ​​nanorørets overflader, mens lav opløsning bruges til simulering af systemets dele, såsom bevægelse af opløsningsmiddelmolekyler. "

Jana og Feng udførte simuleringer af vedhæftende bindemolekyler på materialoverflader og opnåede skøn over forbedrede mekaniske egenskaber og varmeledningsevne. Deres forskning fokuserer på at opnå en grundlæggende forståelse af mekanismen for fysisk overførsel-eller "adsorption"-af sådanne bindemolekyler fra løsninger på overflader af multi-walled carbon nanorør (MWCNT'er). Bindemolekylerne kan omfatte polymerer, overfladeaktive stoffer eller biopolymerer. CNT'erne behandlet med bindemolekylerne kan anvendes til fremstilling af sensorer og anordninger eller kan sammensættes med værtspolymererne til dannelse af bulkpolymerkompositter.

Akron-forskerne samarbejder med eksperimentister på et par Ohio-baserede virksomheder, Zyvex Technologies og PolyOne Corporation, at foretage denne undersøgelse. Efterforskerne mener, at deres forskning vil give industrien vejledning og teoretiske forklaringer til at hjælpe med udviklingen af ​​bindemolekyler og værditilvækst kompositmaterialer til bilindustrien, sø- og rumfartsindustri applikationer.

"Med den rige fremstillingshistorie i denne stat, avancerede materialer passer perfekt til personalet og ressourcerne i Ohio Supercomputer Center, "bemærkede Ashok Krishnamurthy, midlertidig co-executive director for OSC. "Dr. Janas carbon nanorørforskning er yderst velegnet til vores systemer og har et stort potentiale til at hjælpe med at fremme Ohio-industriens ry som en, der konkurrerer på forkant."

OSC -systemer er særligt velegnede til industrielle forskningsapplikationer. Centret oprettede det internationalt anerkendte Blue Collar Computing ™ -program i 2004 for at fremme industriens brug af supercomputing. Adgang til kraftfuld modellering, simulerings- og analyseressourcer giver virksomheder en konkurrencefordel gennem forbedrede fremstillingsprocesser, der kan reducere tiden, arbejdskraft og omkostninger, der er nødvendige for at bringe produkterne på markedet. I regnskabsåret 2011, industrien forbrugte næsten 1,5 millioner CPU -timer på OSC's flagskib Glenn IBM 1350 Opteron -klynge.