Koolstof nanobuisjes zijn lang niet zo sterk als de nanobuisjes die ze bevatten, maar Rice University-onderzoekers werken eraan om de kloof te dichten.

Een computermodel door materiaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn team van Rice's Brown School of Engineering stelt een universele schaalrelatie vast tussen nanobuislengte en wrijving tussen hen in een bundel, parameters die kunnen worden gebruikt om vezeleigenschappen voor sterkte te verfijnen.

Het model is een hulpmiddel voor wetenschappers en ingenieurs die geleidende vezels ontwikkelen voor ruimtevaart, auto, medische en textieltoepassingen zoals slimme kleding. Koolstof nanobuisvezels zijn beschouwd als een mogelijke basis voor een ruimtelift, een project dat Yakobson heeft bestudeerd.

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

als gegroeid, individuele koolstofnanobuisjes zijn in feite opgerolde buizen van grafeen, een van de sterkste bekende materialen. Maar wanneer gebundeld, zoals Rice en andere laboratoria sinds 2013 doen de draadachtige vezels zijn veel zwakker, ongeveer een honderdste van de sterkte van individuele buizen, volgens de onderzoekers.

"Eén enkele nanobuis is ongeveer het sterkste dat je je kunt voorstellen, vanwege de zeer sterke koolstof-koolstofbindingen, " zei Rice assistent-onderzoeksprofessor Evgeni Penev, een oud lid van de Yakobson-groep. "Maar als je dingen gaat maken van nanobuisjes, die dingen zijn veel zwakker dan je zou verwachten. Onze vraag is, waarom? Wat kan er gedaan worden om deze ongelijkheid op te lossen?"

Het model laat zien hoe de lengte van nanobuisjes en de wrijving daartussen de beste indicatoren zijn voor de algehele vezelsterkte, en stelt strategieën voor om ze beter te maken. Een daarvan is om gewoon langere nanobuisjes te gebruiken. Een andere is om het aantal verknopingen tussen de buizen te vergroten, hetzij chemisch, hetzij door elektronenbestraling om defecten te creëren die koolstofatomen beschikbaar maken om te binden.

Het grofkorrelige model kwantificeert de wrijving tussen nanobuisjes, specifiek hoe het slip reguleert wanneer de vezels onder spanning staan ​​en hoe goed verbindingen tussen nanobuisjes waarschijnlijk zullen herstellen na breuk. De balans tussen lengte en wrijving is belangrijk:hoe langer de nanobuisjes, hoe minder crosslinks nodig zijn, en vice versa.

"Lengtes in de lengte zijn slechts een functie van hoe lang je de nanobuisjes kunt maken, "Zei Penev. "Deze gaten zijn in wezen defecten die ervoor zorgen dat de interfaces wegglijden wanneer je aan een bundel begint te trekken."

Met die inherente zwakte als een gegeven, Penev en hoofdauteur Nitant Gupta, een afgestudeerde Rice-student, begon te kijken naar de impact van crosslinks op sterkte. "We hebben de schakels gemodelleerd als koolstofdimeren of korte koolwaterstofketens, en toen we ze begonnen te trekken, we zagen dat ze zouden uitrekken en breken, ' zei Penev.

"Wat duidelijk werd, was dat de algehele sterkte van deze interface sterk afhangt van het vermogen van deze crosslinks om te genezen, " zei hij. "Als ze breken en opnieuw verbinding maken met de volgende beschikbare koolstof terwijl de nanobuisjes wegglijden, er zal een effectieve wrijving zijn tussen de buizen die de vezel sterker maakt. Dat is het ideale geval."

"We laten zien dat de verknopingsdichtheid en de lengte vergelijkbare rollen spelen, en we gebruiken het product van deze twee waarden om de sterkte van de hele bundel te karakteriseren, "Gupta zei, opmerkend dat het model kan worden gedownload via de ondersteunende informatie van het papier.

Penev zei dat het vlechten van nanobuisjes of het verbinden ervan als kettingen waarschijnlijk ook vezels zou versterken. Die technieken gaan de mogelijkheden van het huidige model te boven, maar het bestuderen waard, hij zei.

Yakobson zei dat er grote technologische waarde is in het versterken van materialen. "Het is een voortdurend zware strijd in laboratoria over de hele wereld, bij elke voorschot in GPa (gigapascal, een maat voor treksterkte) een geweldige prestatie.

"Onze theorie plaatst tal van ongelijksoortige gegevens in een duidelijker perspectief, benadrukken dat er nog een lange weg is naar de top van kracht, terwijl ook specifieke stappen worden voorgesteld aan onderzoekers, ' zei hij. 'Dat hopen we tenminste.'