Onderzoekers observeren het stick-slip-fenomeen in koolstofnanobuisvezels

De vormen van eenvoudige polyatomaire moleculen zoals kooldioxide en methaan worden gekenmerkt door een specifieke symmetrie, afhankelijk van de manier waarop de atomen met elkaar verbonden zijn. Deeltjes van nano- tot micrometerformaat die de vorm van dergelijke polyatomaire moleculen nabootsen, worden colloïdale moleculen genoemd, die zachte materialen kunnen vormen. Het conventioneel synthetiseren van colloïdale moleculen met een dergelijke specifieke symmetrie vereist echter een synthetisch proces dat uit meerdere stappen bestaat.

Koolstofnanobuisjes (CNT’s) staan ​​bekend om hun uitzonderlijke mechanische sterkte en hebben goede mogelijkheden voor toepassing als slagvaste materialen en bouwmaterialen in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Voor praktische haalbaarheid moeten op CNT gebaseerde materialen een breeksterkte van minimaal 10 GPa bereiken, wat overeenkomt met de sterkte die nodig is om een ​​gewicht van 10 kg te dragen met behulp van een vezel zo dun als een streng mensenhaar. Wanneer CNT’s echter tot vezels worden gesponnen, vermindert intermoleculaire slip hun sterkte aanzienlijk tot ongeveer 1 GPa.

Onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba onderzochten het mechanisme dat ten grondslag ligt aan dit uitglijdende fenomeen vanuit experimenteel en theoretisch perspectief. Voor het eerst observeerden ze het stick-slip-fenomeen – een zich herhalende overgang tussen statische en dynamische wrijving – die optreedt tussen CNT-moleculen. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Koolstof.

Uit de resultaten bleek dat dit fenomeen de intermoleculaire slipping aanzienlijk beïnvloedt. Hun bevindingen tonen ook aan dat elektronenbestraling de sterkte van deze CNT’s verbetert door de vorming van sterkere bindingen tussen moleculen te bevorderen, wat resulteert in robuustere CNT-bundels.

Deze bevindingen suggereren dat stikstofdoping in combinatie met elektronenbestraling een effectieve strategie is voor het vervaardigen van op CNT gebaseerde materialen met hoge sterkte. Deze doorbraak zal naar verwachting de weg vrijmaken voor nieuwe schokbestendige materialen en lichtgewicht, zeer sterke structurele componenten, die zullen bijdragen aan de productie van veiligere en lichtere voertuigen en een efficiëntere infrastructuur in de toekomst.