Een beetje wrijving gaat een lange weg naar sterkere nanobuisvezels

Koolstof nanobuisvezels zijn lang niet zo sterk als de nanobuisjes die ze bevatten, maar onderzoekers van Rice University werken eraan om de kloof te dichten.

Een computermodel van materiaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn team van Rice’s Brown School of Engineering legt een universele schaalrelatie vast tussen nanobuislengte en wrijving tussen de nanobuisjes in een bundel, parameters die kunnen worden gebruikt om vezeleigenschappen op sterkte af te stemmen.

Het model is een hulpmiddel voor wetenschappers en ingenieurs die geleidende vezels ontwikkelen voor lucht- en ruimtevaart-, automobiel-, medische en textieltoepassingen zoals slimme kleding. Koolstof nanobuisvezels zijn beschouwd als een mogelijke basis voor een ruimtelift, een project dat Yakobson heeft bestudeerd.

Het onderzoek is gedetailleerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano.

Zoals gekweekt, zijn individuele koolstofnanobuisjes in feite opgerolde buizen van grafeen, een van de sterkste bekende materialen. Maar wanneer ze worden gebundeld, zoals Rice en andere laboratoria sinds 2013 doen, zijn de draadachtige vezels veel zwakker, ongeveer een honderdste van de sterkte van individuele buizen, aldus de onderzoekers.

“Een enkele nanobuis is ongeveer het sterkste dat je je kunt voorstellen, vanwege de zeer sterke koolstof-koolstofbindingen”, zei Rice assistent-onderzoeksprofessor Evgeni Penev, een oud lid van de Yakobson-groep. ‘Maar als je dingen gaat maken van nanobuisjes, zijn die dingen veel zwakker dan je zou verwachten. Onze vraag is: waarom? Wat kan er worden gedaan om deze ongelijkheid op te lossen?’

Het model laat zien hoe de lengte van nanobuisjes en de wrijving ertussen de beste indicatoren zijn voor de algehele vezelsterkte, en stelt strategieën voor om ze te verbeteren. Een daarvan is om simpelweg langere nanobuisjes te gebruiken. Een andere is om het aantal verknopingen tussen de buizen te vergroten, hetzij chemisch, hetzij door elektronenbestraling, om defecten te creëren die koolstofatomen beschikbaar maken om te binden.

Het grofkorrelige model kwantificeert de wrijving tussen nanobuisjes, met name hoe het slip reguleert wanneer de vezels onder spanning staan ​​en hoe goed verbindingen tussen nanobuisjes zich waarschijnlijk herstellen na het breken. De balans tussen lengte en wrijving is belangrijk: hoe langer de nanobuisjes, hoe minder crosslinks er nodig zijn en vice versa.

“Tussenruimten in de lengte zijn slechts een functie van hoe lang je de nanobuisjes kunt maken”, zei Penev. “Deze gaten zijn in wezen defecten die ervoor zorgen dat de interfaces wegglijden als je aan een bundel begint te trekken.”

Met die inherente zwakte als een gegeven, begonnen Penev en hoofdauteur Nitant Gupta, een afgestudeerde student aan Rice, te kijken naar de impact van crosslinks op sterkte. “We hebben de schakels gemodelleerd als koolstofdimeren of korte koolwaterstofketens, en toen we eraan begonnen te trekken, zagen we dat ze zouden uitrekken en breken”, zei Penev.

“Wat duidelijk werd, was dat de algehele sterkte van deze interface sterk afhangt van het vermogen van deze crosslinks om te genezen”, zei hij. “Als ze breken en opnieuw verbinding maken met de volgende beschikbare koolstof als de nanobuisjes slippen, zal er een effectieve wrijving zijn tussen de buizen waardoor de vezel sterker wordt. Dat is het ideale geval.”

“We laten zien dat de crosslink-dichtheid en de lengte een vergelijkbare rol spelen, en we gebruiken het product van deze twee waarden om de sterkte van de hele bundel te karakteriseren”, zei Gupta, waarbij hij opmerkte dat het model beschikbaar is om te downloaden via de ondersteunende informatie van de paper.

Penev zei dat het vlechten van nanobuisjes of het verbinden ervan als kettingen waarschijnlijk ook vezels zou versterken. Die technieken vallen buiten de mogelijkheden van het huidige model, maar zijn het bestuderen waard, zei hij.

Yakobson zei dat het versterken van materialen een grote technologische waarde heeft. “Het is een voortdurende, zware strijd in laboratoria over de hele wereld, waarbij elke vooruitgang in GPa (gigapascal, een maatstaf voor treksterkte) een geweldige prestatie is.

“Onze theorie plaatst talrijke ongelijksoortige gegevens in een duidelijker perspectief, en onderstreept dat er nog een lange weg is naar het toppunt van kracht, terwijl we ook specifieke stappen voor experimenteerders suggereren”, zei hij. “Of dat hopen we.”