Computersimulering identificerer et nøgleprincip for næste generation af kulfibre

Udførelse af state-of-the-art computersimuleringer, et KAIST forskerhold identificerede et atomistisk designprincip for at producere høj kvalitet, næste generation af kulfiber.

Kulfibre er lette, men alligevel fremragende i mekanisk styrke og termisk modstand. prale af disse egenskaber, de kan anvendes forskelligt i højteknologiske sektorer, herunder bilindustrien, rumfart, og atomteknik.

De er fremstillet af en polymerprækursor gennem en række spinding, stabilisering, og karboniseringsprocesser. Imidlertid, der er en stor hindring for at producere kulfibre af høj kvalitet. Det er, når der findes dårligt definerede områder i polymermatricerne, de resulterer i uorden og defekter i de producerede kulfibre.

Som en løsning på dette problem, det blev foreslået, at indførelsen af ​​carbon nanorør (CNT) kunne forbedre polymerorientering og krystallisation. Imidlertid, selvom tilpasningsgeometrien af ​​CNT-polymergrænsefladen tilsyneladende påvirker kvaliteten af ​​producerede fibre, den atomistiske forståelse af CNT-polymer-grænsefladen har hidtil manglet, hindrer den videre udvikling.

For at tydeliggøre arten af ​​CNT-polymer-interaktioner, Professor Yong-Hoon Kim fra Graduate School of Energy, Miljø, Vand og bæredygtighed og hans team brugte en flerskalatilgang, der kombinerer beregninger af densitetsfunktionsteori (DFT) og kraftfelts molekylær dynamik (MD) simuleringer og afslørede de unikke strukturelle og elektroniske egenskaber ved polymer-CNT-grænseflader.

Her, de studerede polyacrylonitril (PAN)-CNT hybridstrukturer som et repræsentativt tilfælde af polymer-CNT-kompositter. PAN er den mest almindelige polymerprækursor, tager mere end 90 procent af kulfiberproduktionen.

Baseret på deres DFT-beregninger, holdet viste, at de liggende PAN-konfigurationer giver en større PAN-CNT-bindingsenergi end deres stående modstykker. I øvrigt, maksimering af den liggende PAN-konfiguration blev vist at tillade lineære justeringer af PAN'er på CNT, muliggør den ønskelige bestilte PAN-PAN-pakning med lang rækkevidde.

De identificerede også CNT-krumningen som en anden væsentlig faktor, giver den største PAN-CNT-bindingsenergi i grafengrænsen med nulkurvatur. Udførelse af MD-simuleringer i stor skala, de viste derefter, at grafen nanobånd er en lovende carbon nano-forstærkningskandidat ved eksplicit at vise dens stærke tilbøjelighed til at inducere lineære justeringer af PAN'er adsorberet på dem.

Professor Kim sagde, "Denne forskning kan være et eksemplarisk tilfælde, hvor de kvantemekaniske simuleringer identificerer grundlæggende principper for udvikling af avancerede materialer. Computersimuleringsstudier vil spille en større rolle takket være fremskridtene inden for simuleringsteori og computerydelse."