Nieuwe inzichten in mechanische zwakte van gedraaide koolstofnanobuisgarens

Koolstof is niet alleen een essentiële bouwsteen voor het leven, maar er wordt ook actief onderzoek naar gedaan vanwege zijn veelzijdigheid als technisch materiaal. Vooral koolstofnanobuisjes (CNT’s) hebben een enorm potentieel aangetoond voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, halfgeleiders en medische toepassingen, vooral vanwege hun hoge sterkte en lage gewicht.

Omdat CNT’s doorgaans kort zijn, moeten ze in bundels of garens worden geweven om hun praktische toepassingen uit te breiden. Wetenschappers hebben echter opgemerkt dat CNT-bundels (CNTB’s) en CNT-garens beide een veel lagere treksterkte vertonen dan afzonderlijke CNT’s wanneer ze worden gedraaid – deze daling in rekprestaties kan zelfs verschillende ordes van grootte bereiken! Het ergste is dat, ondanks onderzoeksinspanningen, de redenen achter dit fenomeen onduidelijk blijven.

In een recente studie gepubliceerd in Koolstof op 30 mei 2024 probeerde een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Xiao-Wen Lei van het Tokyo Institute of Technology, Japan, deze puzzel op te lossen. Door moleculaire dynamica (MD)-simulaties en het Delaunay-triangulatie-algoritme te combineren, werpen ze licht op wat er zou kunnen gebeuren in CNTB’s als ze verdraaid zijn.

De onderzoekers ontwierpen verschillende CTNB-modellen en opstellingen voor de MD-simulaties, waarbij rekening werd gehouden met verschillende aantallen CNT-lagen, CNT-lengtes, draaihoeken en draaikrachtprofielen. Na het uitvoeren van de simulaties analyseerden ze zorgvuldig hoe de CNTB’s reageerden op het uitrekken voor en na het draaien.

Door de dwarsdoorsnede van de gedraaide CNTB’s te observeren, onthulde het team dat de slechte mechanische prestaties van CNTB’s en CNT-garens veroorzaakt kunnen worden door zogenaamde ‘wig-disclinaties’. Om te begrijpen wat deze zijn, moet je eerst weten dat CNT’s zichzelf van nature in zeshoekige patronen rangschikken wanneer ze worden gebundeld. Een disclinatie verwijst naar een defect in dit patroon, waarbij óf een CNT ontbreekt in de groep van zes (positieve disclinatie), óf een extra CNT wordt ingevoegd om een ​​arrangement van zeven te vormen (negatieve disclinatie).

Op basis van de simulaties ontdekten de onderzoekers dat wanneer de CNTB’s werden verdraaid, er disclinaties ontstonden als gevolg van lokale CNT-herschikkingen. Deze disclinaties vormden lange, gebogen disclinatielijnen in CNTB’s met meer lagen. Het belangrijkste was dat deze lijnen een direct effect leken te hebben op het gedrag van de CNTB’s bij mechanisch uitrekken.

“We hebben waargenomen dat de aanwezigheid van disclinatielijnen resulteerde in een afname van de Young-modulus van de CNTB’s, waarbij langere disclinatielijnen overeenkomen met een lagere Young-modulus. Het verschijnen van disclinatielijnen in gedraaide CNTB’s kan dus een van de belangrijkste redenen zijn voor de afname van de mechanische eigenschappen van de CNT-garens”, legt Lei uit.

Alles bij elkaar helpen de bevindingen van deze studie enkele van de huidige beperkingen van CNTB’s te verklaren en wijzen ze op mogelijke oplossingen om hoogwaardige CNT-garens te realiseren door middel van draaien.

“Door gebruik te maken van inzichten die zijn verkregen door het begrijpen van de correlatie tussen microscopische interne stapelingsstructurele veranderingen en mechanische eigenschappen veroorzaakt door de introductie van roosterdefecten in materialen, zou een nieuw academisch veld kunnen worden ontwikkeld dat verband houdt met computationele materiaalkunde”, benadrukt Lei. “Uiteindelijk streven wij ernaar dat ons onderzoek in de nabije toekomst bijdraagt ​​aan het realiseren van een slimme, duurzame en welvarende samenleving.”

Met een beetje geluk zullen de huidige uitdagingen die verband houden met CNT’s binnenkort worden aangepakt, zodat deze verbazingwekkende materialen ons helpen de stand van de techniek verder te brengen.