een cilindrisch netwerk van moleculen dat bekend staat als koolstofnanobuisjes -- trekt tegenwoordig veel aandacht van industriële onderzoekers.

Koolstofnanobuizen (CNT's) kunnen als additieven worden toegepast op verschillende structurele materialen via een proces dat adsorptie wordt genoemd, waar ze worden gebruikt om het oppervlak van industriële materialen te wijzigen om bepaalde eigenschappen te bereiken, zoals waterafstotende coatings voor autoruiten en hydrofiele coatings voor contactlenzen. Dit potentieel heeft op veel gebieden de belangstelling gewekt van industriële onderzoekers, zoals ruimtevaart-/scheepvaartmaterialen, nano-elektrische producten, optische apparaten, chemische sensoren, katalysatordragers, water/gas behandelingen, medicijndragers en kunstmatige weefsels.

CNT's zijn samengesteld uit hetzelfde element als diamanten, maar met een andere structurele rangschikking, en beschikken over buitengewone thermische, mechanische en elektrische eigenschappen. Individuele nanobuisjes richten zich van nature in cilindrische "touwen" die bij elkaar worden gehouden door van der Waals-krachten, de aantrekkingskrachten tussen atomen, moleculen en oppervlakken en veroorzaakt door correlaties in de fluctuerende polariteit van andere nabijgelegen deeltjes.

Sadhan C.Jana, doctoraat, hoogleraar Polymer Engineering aan de Universiteit van Akron (UA), heeft de interessante eigenschappen van deze moleculen bestudeerd door deze microscopische structuren te simuleren met behulp van de krachtige systemen van het Ohio Supercomputer Center (OSC).

"Het grootste obstakel bij het realiseren van het volledige potentieel van CNT's is agglomeraatvorming als gevolg van van der Waals en elektrostatische interacties tussen individuele CNT-deeltjes, " legde Jana uit. "Onderzoekers hebben verschillende methoden bedacht om dergelijke interacties te verzwakken."

Twee belangrijke benaderingen worden gevolgd bij het toepassen van CNT's op materiaaloppervlakken - covalente en niet-covalente functionalisering. Bij covalente functionalisering chemische bindingen worden gevormd met de koolstofatomen aan het oppervlak, een proces dat vaak de grafische eigenschappen van CNT's verandert en de elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte van het molecuul in gevaar brengt. In tegenstelling tot, niet-covalente functionalisering maakt gebruik van uniek ontworpen verbindingsmoleculen, een moleculair segment dat helpt de stabiliteit van CNT's te verbeteren door "banden" te creëren tussen de CNT's en polymeerketens of oplosmiddelmoleculen om uitzonderlijke taaiheid te bieden, slagvastheid en weerstand tegen scheuren.

"De simulaties van polymere nanocomposieten in oplossing zijn CPU-intensieve taken, " zei Jie Feng, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Jana aan de UA. “In onze aanpak de resolutie van simulatie wordt verhoogd voor de onderdelen die van het grootste belang zijn, bijvoorbeeld, de verschijnselen op of nabij de nanobuisoppervlakken, terwijl lage resolutie wordt gebruikt voor simulatie van de onderdelen van het systeem, zoals de beweging van oplosmiddelmoleculen."

Jana en Feng voerden simulaties uit van hechtende verbindingsmoleculen op materiaaloppervlakken en verkregen schattingen van verbeterde mechanische eigenschappen en thermische geleidbaarheid. Hun onderzoek richt zich op het verkrijgen van een fundamenteel begrip van het mechanisme van fysieke overdracht - of "adsorptie" - van dergelijke verbindingsmoleculen van oplossingen op oppervlakken van meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's). De verbindingsmoleculen kunnen polymeren, oppervlakteactieve stoffen of biopolymeren. De met de verbindingsmoleculen behandelde CNT's kunnen worden gebruikt bij de fabricage van sensoren en apparaten of kunnen worden gecompoundeerd met de gastheerpolymeren om bulkpolymeercomposieten te creëren.

De Akron-onderzoekers werken samen met experimentatoren bij een paar in Ohio gevestigde bedrijven, Zyvex Technologies en PolyOne Corporation, om dit onderzoek uit te voeren. De onderzoekers zijn van mening dat hun onderzoek de industrie richtlijnen en theoretische verklaringen zal bieden om te helpen bij de ontwikkeling van verbindingsmoleculen en composietmaterialen met toegevoegde waarde voor de automobielindustrie, toepassingen in de maritieme en ruimtevaartindustrie.

"Met de rijke productiegeschiedenis van deze staat, geavanceerde materialen past perfect bij het personeel en de middelen van het Ohio Supercomputer Center, " merkte Ashok Krishnamurthy op, interim co-executive director van OSC. "Dr. Jana's onderzoek naar koolstofnanobuisjes is uitermate geschikt voor onze systemen en heeft een groot potentieel om de reputatie van de Ohio-industrie als een toonaangevende concurrent te helpen bevorderen."

OSC-systemen zijn bijzonder geschikt voor industriële onderzoekstoepassingen. Het centrum heeft in 2004 het internationaal erkende Blue Collar Computing™-programma opgezet om het gebruik van supercomputing door de industrie te promoten. Toegang tot krachtige modellering, simulatie- en analysebronnen bieden bedrijven een concurrentievoordeel door verbeterde productieprocessen die de tijd, arbeid en kosten die nodig zijn om producten op de markt te brengen. In boekjaar 2011 industrie verbruikte bijna 1,5 miljoen CPU-uren op OSC's vlaggenschip Glenn IBM 1350 Opteron cluster.