Koolstofvezel, decennialang een pijler van kracht in de fabricage van materialen, is niet zo goed als het zou kunnen zijn, maar er zijn manieren om het te verbeteren, volgens wetenschappers van Rice University.

Ze ontdekten dat de polymeerketens waaruit een gewone koolstofvezel bestaat, tijdens de fabricage verkeerd uitlijnen. een defect vergeleken de onderzoekers met een defecte ritssluiting die het product verzwakt.

Het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson ging op zoek naar deze over het hoofd geziene defecten en stelde voor hoe ze zouden kunnen worden ingeperkt. Het werk van het lab verschijnt deze maand in Geavanceerde materialen .

Koolstofvezels werden al in de 19e eeuw vervaardigd, toen Thomas Edison ze maakte als filamenten voor zijn prototype gloeilampen; maar de serieuze industriële ontwikkeling begon pas eind jaren '50. Ze zijn sterk, flexibel, geleidend, hittebestendig en chemisch inert, en zijn gebruikt in tennisrackets, fietsframes en vliegtuigen, tussen vele andere producten. Ze kunnen ook worden gesponnen tot garen voor lichte en stevige stoffen.

"Hoewel goed ingeburgerd en volwassen, het gebied van koolstofvezels is grotendeels inert gebleven voor het gebruik van en profiteren van de intensieve theoretische ontwikkeling op het 'jonge' gebied van laagdimensionale nanokoolstof, " zei Jevgeni Penev, een onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Yakobson en co-auteur van het artikel.

Het Rice-team bouwde computermodellen om het optreden van defecten in het meest gebruikte productieproces van koolstofvezel af te leiden, waarbij polyacrylonitril (PAN) wordt verwarmd. Bij 1, 500 graden Celsius, de hitte verbrandt alles behalve de sterk gebonden koolstofatomen, uiteindelijk veranderen ze in rudimentaire grafeen-nanoribbons die zijn uitgelijnd op een manier die voorkomt dat de linten gemakkelijk in het vertrouwde honingraatrooster van grafeen ritselen.

Yakobson zei dat het idee van deze "misfusie" in vezelsynthese bij hem opkwam tijdens het lezen van een biologieartikel over D-lussen in RNA-transcriptie. Het kwam bij hem op dat dergelijke defecten ook onvermijdelijk zouden zijn in door PAN gemaakte koolstofvezel. "Het kostte daarna veel werk om hun plaats en mechanische gevolgen in de vezelcontext te bepalen, " hij zei.

Moleculaire dynamische simulaties onthulden dat misfusie de individuele polymeerketens verbogen en D-lussen vormde. Deze lussen werden de belangrijkste beperkende factor van de geroemde sterkte van koolstofvezel; ze verminderden het met maximaal een factor vier en lieten de theoretische schattingen van vezelsterkte effectief vallen in de buurt van wat experimenteel is waargenomen, meldden de onderzoekers.

"Naar mij, het meest intrigerende deel was het besef dat D-loop-defecten de mogelijkheid van zeer grote Burgers-vectoren mogelijk maken, die bijna onmogelijk zijn in 3D-materialen en een absurd idee zou zijn om zelfs maar te overwegen, " zei Nitant Gupta, een afgestudeerde Rice-student en de hoofdauteur van de paper. Burgers-vectoren zijn een maat voor de sterktebeïnvloedende vervormingen die worden veroorzaakt door dislocaties in een kristalrooster.

Tot hun verbazing, ontdekten de onderzoekers dat wanneer de PAN-ketens niet goed waren uitgelijnd met de vezelas, de sterkte van de vezel nam toe ondanks de aanwezigheid van D-lussen.

Ze hebben ook vastgesteld dat D-lussen volledig kunnen worden voorkomen door te beginnen met grafeen-nanoribbons in plaats van PAN. Omdat D-loops de meest waarschijnlijke plaatsen zijn voor het ontstaan ​​van scheuren, volgens simulaties, het elimineren van zoveel mogelijk van hen zou de sterkte van de vezel ten goede komen.

"Afgezien van bijzonderheden, we zien dit werk graag als een poging om deze velden te kruisbestuiven op atomistisch modelleringsniveau, "Zei Penev. "We hopen dat dit een toegevoegde waarde zal zijn voor degenen die in het veld werken en uiteindelijk voor een veel breder publiek."