Они обнаружили, что полимерные цепи, из которых состоит обычное углеродное волокно, склонны смещаться во время производства, что исследователи сравнили с дефектной застежкой-молнией, которая ослабляет продукт.Лаборатория Райса физика-теоретика Бориса Якобсона намеревалась проанализировать эти упущенные из виду дефекты и предложить способы их устранения. Работа лаборатории появится в этом месяце в Advanced Materials.
Углеродные волокна были изготовлены еще в 19 веке, когда Томас Эдисон сделал их в качестве нитей для своих прототипов лампочек; но серьезное промышленное развитие началось только в конце 50-х годов. Они прочные, гибкие, проводящие, термостойкие и химически инертные, и, среди многих других продуктов, используются в теннисных ракетках, велосипедных рамах, самолетах. Из них также можно производить пряжу для легких и жестких тканей.«Несмотря на то, что область углеродных волокон хорошо известна и развита, она в значительной степени остается инертной для использования и получения выгод от интенсивных теоретических разработок в« молодой »области низкоразмерных наноуглеродов», — сказал Евгений Пенев, научный сотрудник лаборатории Якобсона и соавтор статьи.
Команда Райса построила компьютерные модели, чтобы определить наличие дефектов в наиболее широко используемом процессе производства углеродного волокна, который включает нагревание полиакрилонитрила (PAN). При температуре 1500 градусов Цельсия тепло сжигает все, кроме прочно связанных атомов углерода, в конечном итоге превращая их в рудиментарные графеновые наноленты, выровненные таким образом, что ленты не могут легко застрять в знакомой сотовой решетке графена.Якобсон сказал, что идея этого «несоответствия» в синтезе волокон пришла ему в голову, когда он читал статью по биологии о D-петлях в транскрипции РНК. Ему пришло в голову, что подобные дефекты неизбежны и в углеродном волокне, изготовленном из ПАН. «После этого потребовалось много работы, чтобы определить их место и механические последствия в контексте волокна», — сказал он.
Моделирование молекулярной динамики показало, что неправильное соединение приводит к изгибу отдельных полимерных цепей и образованию D-петель. Эти петли стали основным ограничивающим фактором хваленой прочности углеродного волокна; они уменьшили ее в четыре раза и фактически снизили теоретические оценки прочности волокна до тех, которые наблюдались экспериментально, сообщили исследователи.
«Для меня самой интригующей частью было осознание того, что дефекты D-петли допускают возможность очень больших векторов Бюргерса, что практически невозможно в трехмерных материалах и было бы абсурдной идеей даже рассматривать», — сказал Нитант Гупта, Аспирант Райс и ведущий автор статьи. Векторы Бюргерса являются мерой искажений, влияющих на прочность, вызванных дислокациями в кристаллической решетке.К своему удивлению, исследователи обнаружили, что, когда цепи PAN смещены относительно оси волокна, прочность волокна увеличивается, несмотря на наличие D-петель.Они также определили, что D-петли можно полностью предотвратить, начав с графеновых нанолент, а не с PAN.
Поскольку D-образные петли являются наиболее вероятными местами возникновения трещин, согласно моделированию, устранение как можно большего количества из них повысит прочность волокна.«Помимо специфики, нам нравится рассматривать эту работу как попытку перекрестного удобрения этих полей на уровне атомистического моделирования», — сказал Пенев. «Мы надеемся, что это принесет дополнительную пользу тем, кто работает на местах, и, в конечном итоге, гораздо более широкой аудитории».