Hier in de macrowereld voelen we ons allemaal wel eens vermoeid. Hetzelfde geldt voor bundels koolstofnanobuisjes, hoe perfect hun afzonderlijke componenten ook zijn.

Een onderzoek van Rice University berekent hoe spanningen en spanningen zowel "perfecte" nanobuisjes als die welke tot vezels zijn geassembleerd beïnvloeden en ontdekte dat hoewel vezels onder cyclische belasting na verloop van tijd kunnen falen, de buizen zelf perfect kunnen blijven. Hoe lang de buizen of hun vezels hun mechanische omgeving ondersteunen, kan hun bruikbaarheid voor toepassingen bepalen.

Dat maakte de studie, die verschijnt in Science Advances , belangrijk voor Rice-materiaaltheoreticus Boris Yakobson, afgestudeerde student Nitant Gupta en assistent-onderzoeksprofessor Evgeni Penev van Rice's George R. Brown School of Engineering. Ze kwantificeerden de effecten van cyclische stress op nanobuisjes met behulp van ultramoderne simulatietechnieken zoals een kinetische Monte Carlo-methode. Ze hopen onderzoekers en de industrie een manier te geven om te voorspellen hoe lang nanobuisvezels of andere samenstellingen naar verwachting zullen meegaan onder de gegeven omstandigheden.

"De tijdsafhankelijkheid van de kracht of het uithoudingsvermogen van een individuele nanobuis werd lang geleden in onze groep bestudeerd, en nu overwegen we de implicaties ervan in het geval van cyclische belasting van de buizen en hun vezels, of assemblages in het algemeen," zei Penev. "Onlangs meldden een paar experimenten dat koolstofnanobuisjes en grafeen catastrofaal falen door vermoeidheid zonder progressieve schade. Dit was merkwaardig en verrassend genoeg om de interesse opnieuw op te wekken en leidde ons uiteindelijk tot het voltooien van dit werk."

Perfecte koolstofnanobuisjes, beschouwd als een van de sterkste structuren in de natuur, hebben de neiging dat te blijven, tenzij een dramatische impact profiteert van hun broze aard en ze in stukken breekt. De onderzoekers ontdekten door middel van simulaties op atoomschaal dat nanobuisjes onder omgevingsomstandigheden en zelfs wanneer ze gebogen of verbogen zijn, routinematige stress goed aankunnen. Wanneer puntdefecten (ook wel Stone-Wales-defecten genoemd) spontaan optreden, zijn de effecten op deze "onvermoeibare" nanobuisjes verwaarloosbaar.

Ze ontdekten dat dezelfde principes van toepassing zijn op ongeschonden grafeen.

Maar wanneer miljoenen nanobuisjes worden gebundeld tot draadachtige vezels of andere configuraties, voorkomt de van der Waals-kracht die de parallelle nanobuisjes aan elkaar bindt niet dat ze wegglijden. Eerder dit jaar hadden de onderzoekers aangetoond hoe wrijving tussen buizen leidt tot sterkere interfaces tussen nanobuisjes en verantwoordelijk is voor hun ongelooflijke sterkte. Met behulp van dit model hebben ze nu getest hoe vermoeidheid kan optreden onder cyclische belastingen en hoe dat uiteindelijk tot falen leidt.

Elke keer dat een vezel van een nanobuisje wordt uitgerekt of gespannen, zal het zijn oorspronkelijke vorm grotendeels terugkrijgen zodra de spanning wordt opgeheven. "Meestal" is de sleutel; er blijft een klein beetje restslip over en dat kan met elke cyclus toenemen. Dit is plasticiteit:vervorming met onomkeerbaar onvolledig herstel.

"De cyclische belasting van nanobuisvezel zorgt ervoor dat aangrenzende buizen wegglippen of naar elkaar toe glijden, afhankelijk van in welk deel van de cyclus ze zich bevinden", legt Gupta uit. "Deze slip is niet gelijk, waardoor er bij elke cyclus een algemene spanningsaccumulatie ontstaat. Dit wordt spanningsrateling genoemd, omdat de totale spanning altijd in één richting toeneemt, net zoals een ratel in een enkele richting beweegt."

De onderzoekers merkten op dat ultramoderne vezels het risico van falen zouden moeten kunnen overwinnen door de onvermijdelijke slip te overleven.

"Zoals we weten, kunnen enkele van de beste strategieën voor de productie van nanobuisvezels leiden tot een treksterkte van meer dan 10 gigapascal (GPa), wat ongelooflijk is voor hun toepassing in het dagelijks leven," zei Gupta. "We hebben ook uit onze tests gevonden dat hun uithoudingsvermogen 30-50% kan zijn, wat betekent dat de vezels tot 3 GPa een vrijwel oneindige levensduur kunnen hebben. Dat is veelbelovend voor hun gebruik als structurele materialen met een lage dichtheid." + Verder verkennen

Een beetje wrijving gaat een heel eind in de richting van sterkere nanobuisvezels