2021年1月20
碳纳米管纤维并不像它们所包含的纳米管那样坚固，但莱斯大学的研究人员正在努力缩小这一差距。
由莱斯布朗工程学院的材料理论家Boris Yako亚博网站下载bson和他的团队所建立的计算模型建立了纳米管长度和一束纳米管之间的摩擦之间的普遍比例关系，这些参数可以用来微调纤维的强度特性。
该模型是科学家和工程师开发用于航空航天、汽车、医疗和纺织应用(如智能服装)的导电纤维的工具。碳纳米管纤维被认为是空间电梯的可能基础，这是雅可布森研究的一个项目。
这项研究的详细内容发表在《美国化学学会杂志》上ACS Nano．
随着生长，单个碳纳米管基本上是石墨烯的卷管，石墨烯是已知最强的材料之一。亚博网站下载但根据研究人员的说法，从2013年开始，莱斯和其他实验室就一直在做捆绑时，线状纤维要弱得多，强度约为单个纤维的百分之一。
“一个纳米管大概是你能想象到的最强的东西，因为它的碳碳键非常强，”赖斯的助理研究教授Evgeni Penev说，他是Yakobson小组的长期成员。“但当你开始用纳米管制造东西时，这些东西比你想象的要弱得多。我们的问题是，为什么——我们能做些什么来解决这种不平等——”
该模型证明了纳米管的长度和它们之间的摩擦是整体纤维强度的最佳指标，并提出了改善它们的策略。一种方法是简单地使用较长的纳米管。另一种方法是增加电子管之间的交联数量，通过化学方法或电子辐照产生缺陷，使碳原子能够结合。
粗粒度模型量化了纳米管之间的摩擦，特别是当纤维受到应变时，纳米管如何调节滑移，以及断裂后纳米管之间的连接有多大可能恢复。长度和摩擦力之间的平衡很重要:纳米管越长，所需交联越少，反之亦然。
“纵向缝隙与纳米管的长度有关，”佩内夫说。“这些缝隙本质上是缺陷，当你开始拉一个包时，会导致界面滑动。”
佩内夫和第一作者、莱斯大学的研究生尼坦·古普塔(Nitant Gupta)开始研究交联对力量的影响。“我们以碳二聚体或短烃链为模型，当我们开始拉伸它们时，我们看到它们会拉伸和断裂，”佩内夫说。
“很明显，这个界面的整体强度在很大程度上取决于这些交联的愈合能力，”他说。“当纳米管滑动时，如果它们断裂并重新连接到下一个可用的碳上，那么纳米管之间就会产生有效的摩擦，从而使纤维变得更强。这是最理想的情况。”
“我们发现交联密度和长度起着类似的作用，我们用这两个值的乘积来表征整个束的强度，”Gupta说，并指出该模型可以通过论文的支持信息下载。
Penev说，编织纳米管或像链一样连接它们也可能会增强纤维。他说，这些技术超出了当前模型的能力范围，但值得研究。
雅可布森说，加强材料有很大的技术价值。亚博网站下载“在世界各地的实验室里，这是一场持续的、艰苦的战斗，GPa(十亿帕斯卡，抗拉强度的衡量标准)的每一次进步都是一项伟大的成就。
“我们的理论以更清晰的视角审视了大量不同的数据，强调了要达到力量的顶峰还有很长的路要走，同时也向实验者提出了具体的步骤，”他说。“至少我们希望如此。”
莱斯大学校友约翰·阿尔雷德(John Alred)现在是美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)的技术专家，他是这篇论文的合著者。雅可布森是卡尔·f·哈塞尔曼材料科学和纳米工程教授，也是莱斯大学的化学教授。亚博网站下载亚博老虎机网登录
空军科学研究办公室和计算机资源通过国家科学基金会和赖斯支持这项研究。亚博老虎机网登录
请阅读以下摘要:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08588．
该新闻稿可在网上找到https://news.rice.edu/2021/01/19/a-little-friction-goes-a-long-way-toward-stronger-nanotube-fibers/
来源:https://www.rice.edu/