Undersøgelse forklarer styrkegabet mellem grafen, kulfiber

Kulfiber, en styrkesøjle i materialefremstilling i årtier, er ikke så godt som det kunne være, men der er måder at forbedre det på, ifølge Rice University-forskere.

De fandt ud af, at polymerkæderne, der udgør en almindelig kulfiber, er tilbøjelige til at justere forkert under fremstillingen, en defekt forskerne sammenlignet med en defekt lynlås, der svækker produktet.

Den teoretiske fysiker Boris Yakobsons Rice-laboratorium satte sig for at analysere disse oversete defekter og foreslå, hvordan de kunne begrænses. Laboratoriets arbejde vises denne måned i Avancerede materialer .

Kulfibre blev fremstillet så længe siden som det 19. århundrede, da Thomas Edison lavede dem som glødetråde til sine prototype pærer; men alvorlig industriel udvikling begyndte først i slutningen af ​​50'erne. De er stærke, fleksibel, ledende, varmebestandig og kemisk inert, og har været brugt i tennisketchere, cykelstel og fly, blandt mange andre produkter. De kan også spindes til garn til lette og seje stoffer.

"Selvom de er veletablerede og modne, kulfiberområdet er stort set forblevet inert over for at bruge og drage fordel af den intensive teoretiske udvikling inden for det 'unge' felt af lavdimensionel nanocarbon, " sagde Evgeni Penev, en forsker i Yakobsons laboratorium og medforfatter til papiret.

Rice-teamet byggede computermodeller for at udlede forekomsten af ​​defekter i den mest udbredte kulfiberfremstillingsproces, som involverer opvarmning af polyacrylonitril (PAN). Klokken 1, 500 grader Celsius, varmen afbrænder alle undtagen de stærkt bundne carbonatomer, i sidste ende forvandler dem til rudimentære grafen-nanobånd, der er justeret på en måde, der forhindrer båndene i nemt at lyne ind i grafens velkendte honeycomb-gitter.

Yakobson sagde, at ideen om denne "misfusion" i fibersyntese kom til ham, mens han læste et biologipapir om D-løkker i RNA-transkription. Det gik op for ham, at sådanne defekter også ville være uundgåelige i PAN-fremstillede kulfiber. "Derefter krævede det meget arbejde at bestemme deres plads og mekaniske konsekvenser i fibersammenhæng, " han sagde.

Molekylær dynamik-simuleringer afslørede misfusion spændte de individuelle polymerkæder og dannede D-løkker. Disse sløjfer blev den primære begrænsende faktor for kulfibers berygtede styrke; de reducerede den med op til en faktor fire og faldt effektivt de teoretiske estimater af fiberstyrke tættere på, hvad der er blevet observeret eksperimentelt, rapporterede forskerne.

"Til mig, den mest spændende del var at indse, at D-loop defekter muliggør muligheden for meget store Burgers vektorer, som er næsten umulige i 3D-materialer og ville have været en absurd idé at overveje, " sagde Nitant Gupta, en Rice-studerende og avisens hovedforfatter. Burgers vektorer er et mål for de styrkepåvirkende forvrængninger forårsaget af dislokationer i et krystalgitter.

Til deres overraskelse, forskerne opdagede, at når PAN-kæderne var forkert justeret med fiberaksen, styrken af ​​fiberen steg på trods af tilstedeværelsen af ​​D-løkker.

De fastslog også, at D-løkker kunne forhindres helt ved at starte med grafen nanobånd i stedet for PAN. Fordi D-løkker er de mest sandsynlige steder, hvor revner starter, ifølge simuleringer, at fjerne så mange af dem som muligt ville gavne fiberens styrke.

"Bortset fra detaljer, vi kan godt lide at se dette arbejde som et forsøg på at krydsbefrugte disse felter på et atomistisk modelleringsniveau, " sagde Penev. "Vi håber, at dette vil give merværdi til dem, der arbejder i feltet og i sidste ende til et meget bredere publikum."