En lille friktion går langt mod stærkere nanorørfibre

Carbon nanorørfibre er ikke nær så stærke som de nanorør, de indeholder, men Rice University-forskere arbejder på at lukke hullet.

En beregningsmodel af materialeteoretikeren Boris Yakobson og hans team på Rice's Brown School of Engineering etablerer et universelt skaleringsforhold mellem nanorørs længde og friktion mellem dem i et bundt, parametre, der kan bruges til at finjustere fiberegenskaber for styrke.

Modellen er et værktøj for forskere og ingeniører, der udvikler ledende fibre til rumfart, bilindustrien, medicinske og tekstile applikationer som smart tøj. Carbon nanorørfibre er blevet betragtet som et muligt grundlag for en rumelevator, et projekt Yakobson har studeret.

Forskningen er beskrevet i det amerikanske tidsskrift American Chemical Society ACS Nano .

Som voksen, individuelle kulstof nanorør er dybest set sammenrullede rør af grafen, et af de stærkeste kendte materialer. Men når den er bundtet, som Rice og andre laboratorier har gjort siden 2013, de trådagtige fibre er langt svagere, omkring en hundrededel af styrken af ​​individuelle rør, ifølge forskerne.

"Et enkelt nanorør er omtrent det stærkeste, du kan forestille dig, på grund af dets meget stærke kulstof-kulstofbindinger, " sagde Rice assisterende forskningsprofessor Evgeni Penev, mangeårigt medlem af Yakobson-gruppen. "Men når du begynder at lave ting ud af nanorør, disse ting er meget svagere, end du ville forvente. Vores spørgsmål er, hvorfor? Hvad kan der gøres for at løse denne ulighed?"

Modellen viser, hvordan længden af ​​nanorør og friktionen mellem dem er de bedste indikatorer for den samlede fiberstyrke, og foreslår strategier til at gøre dem bedre. Den ene er simpelthen at bruge længere nanorør. En anden er at øge antallet af tværbindinger mellem rørene, enten kemisk eller ved elektronbestråling for at skabe defekter, der gør kulstofatomer tilgængelige for binding.

Den grovkornede model kvantificerer friktionen mellem nanorør, specifikt hvordan det regulerer slip, når fibrene er under belastning, og hvor godt forbindelser mellem nanorør sandsynligvis vil komme sig efter brud. Balancen mellem længde og friktion er vigtig:Jo længere nanorørene er, jo færre tværbindinger er nødvendige, og omvendt.

"Længde mellemrum er kun en funktion af, hvor længe du kan lave nanorørene, " sagde Penev. "Disse huller er i det væsentlige defekter, der får grænsefladerne til at glide, når du begynder at trække i et bundt."

Med den iboende svaghed som en given, Penev og hovedforfatter Nitant Gupta, en ris kandidatstuderende, begyndte at se på virkningen af ​​tværbindinger på styrke. "Vi modellerede koblingerne som carbondimerer eller korte carbonhydridkæder, og da vi begyndte at trække dem, vi så de ville strække sig og knække, " sagde Penev.

"Det, der blev klart, var, at den overordnede styrke af denne grænseflade afhænger meget af disse tværbindingers evne til at helbrede, " sagde han. "Hvis de går i stykker og genopretter forbindelse til det næste tilgængelige kulstof, når nanorørene glider, der vil være en effektiv friktion mellem rørene, der gør fiberen stærkere. Det er den ideelle sag."

"Vi viser tværbindingstætheden og længden spiller lignende roller, og vi bruger produktet af disse to værdier til at karakterisere styrken af ​​hele bundtet, " sagde Gupta, bemærker, at modellen er tilgængelig til download via avisens understøttende information.

Penev sagde, at fletning af nanorør eller at forbinde dem som kæder sandsynligvis også vil styrke fibrene. Disse teknikker ligger uden for den nuværende models muligheder, men værd at studere, han sagde.

Yakobson sagde, at der er stor teknologisk værdi i at styrke materialer. "Det er en løbende, kamp op ad bakke i laboratorier rundt om i verden, med hvert fremskridt i GPa (gigapascal, et mål for trækstyrke) en stor præstation.

"Vores teori sætter talrige forskellige data i et klarere perspektiv, fremhæver, at der stadig er lang vej til toppen af ​​styrke, mens de også foreslår specifikke trin til eksperimentatorer, sagde han. Eller det håber vi.