Het uitvoeren van state-of-the-art computersimulaties, een KAIST-onderzoeksteam identificeerde een atomistisch ontwerpprincipe om hoogwaardige, koolstofvezels van de volgende generatie.

Koolstofvezels zijn licht van gewicht en toch uitstekend in mechanische sterkte en thermische weerstand. Met deze eigenschappen, ze kunnen divers worden toegepast in hoogtechnologische sectoren, inclusief auto, ruimtevaart, en nucleaire techniek.

Ze worden geproduceerd uit een polymeerprecursor door een reeks van spinnen, stabilisatie, en carbonisatieprocessen. Echter, er is een groot obstakel voor het produceren van hoogwaardige koolstofvezels. Dat is, wanneer er slecht gedefinieerde gebieden binnen de polymeermatrices bestaan, ze resulteren in wanorde en defecten in de geproduceerde koolstofvezels.

Als oplossing voor dit probleem, er werd voorgesteld dat de introductie van koolstofnanobuisjes (CNT) de oriëntatie en kristallisatie van het polymeer zou kunnen verbeteren. Echter, hoewel de uitlijningsgeometrie van de CNT-polymeerinterface blijkbaar de kwaliteit van geproduceerde vezels beïnvloedt, het atomistische begrip van de CNT-polymeerinterface ontbrak tot nu toe, verdere ontwikkelingen belemmeren.

Om de aard van CNT-polymeerinteracties te verduidelijken, Professor Yong-Hoon Kim van de Graduate School of Energy, Omgeving, Water and Sustainability en zijn team gebruikten een multischaalbenadering die eerste-principes dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen en krachtvelden moleculaire dynamica (MD) simulaties combineert en de unieke structurele en elektronische kenmerken van polymeer-CNT-interfaces onthulde.

Hier, ze bestudeerden polyacrylonitril (PAN) -CNT hybride structuren als een representatief geval van polymeer-CNT-composieten. PAN is de meest voorkomende polymeerprecursor, meer dan 90 procent van de koolstofvezelproductie voor hun rekening nemen.

Op basis van hun DFT-berekeningen, het team toonde aan dat de liggende PAN-configuraties een grotere PAN-CNT-bindingsenergie geven dan hun staande tegenhangers. Bovendien, het maximaliseren van de liggende PAN-configuratie bleek lineaire uitlijning van PAN's op CNT mogelijk te maken, waardoor de gewenste PAN-PAN-verpakking met groot bereik mogelijk is.

Ze identificeerden ook de CNT-kromming als een andere belangrijke factor, geeft de grootste PAN-CNT-bindingsenergie in de grafeenlimiet met nulkromming. Uitvoeren van grootschalige MD-simulaties, ze toonden vervolgens aan dat grafeen-nanoribbons een veelbelovende kandidaat voor koolstof-nanoversterking zijn door expliciet te laten zien dat het een sterke neiging heeft om lineaire uitlijningen van PAN's die erop zijn geadsorbeerd te induceren.

Professor Kim zei:"Dit onderzoek kan een voorbeeldig geval zijn waarbij de kwantummechanische simulaties basisprincipes identificeren voor het ontwikkelen van geavanceerde materialen. Computersimulatiestudies zullen een grotere rol spelen dankzij de vooruitgang in de simulatietheorie en computerprestaties."