Fibra di carbonio, da decenni un punto di forza nella produzione di materiali, non è buono come potrebbe essere, ma ci sono modi per migliorarlo, secondo gli scienziati della Rice University.

Hanno scoperto che le catene polimeriche che compongono una comune fibra di carbonio tendono a disallinearsi durante la produzione, un difetto che i ricercatori hanno confrontato con una cerniera difettosa che indebolisce il prodotto.

Il laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson ha deciso di analizzare questi difetti trascurati e suggerire come potrebbero essere ridotti. Il lavoro del laboratorio appare questo mese in Materiale avanzato .

Le fibre di carbonio sono state fabbricate già nel XIX secolo, quando Thomas Edison li realizzò come filamenti per i suoi prototipi di lampadine; ma lo sviluppo industriale serio non iniziò fino alla fine degli anni '50. Sono forti, flessibile, conduttivo, resistente al calore e chimicamente inerte, e sono stati utilizzati nelle racchette da tennis, telai di biciclette e aerei, tra tanti altri prodotti. Possono anche essere filati in filati per tessuti leggeri e resistenti.

"Anche se ben consolidato e maturo, il campo delle fibre di carbonio è rimasto in gran parte inerte all'utilizzo e al beneficio dell'intenso sviluppo teorico nel campo "giovane" del nanocarbonio a bassa dimensionalità, " ha detto Evgeni Penev, uno scienziato ricercatore nel laboratorio di Yakobson e coautore dell'articolo.

Il team di Rice ha costruito modelli al computer per dedurre il verificarsi di difetti nel processo di produzione della fibra di carbonio più utilizzato, che comporta il riscaldamento del poliacrilonitrile (PAN). a 1, 500 gradi Celsius, il calore brucia tutti tranne gli atomi di carbonio fortemente legati, alla fine trasformandoli in rudimentali nanonastri di grafene allineati in modo da impedire ai nastri di comprimersi facilmente nel familiare reticolo a nido d'ape del grafene.

Yakobson ha detto che l'idea di questa "misfusione" nella sintesi delle fibre gli è venuta durante la lettura di un articolo di biologia sui D-loop nella trascrizione dell'RNA. Gli venne in mente che tali difetti sarebbero stati inevitabili anche nella fibra di carbonio prodotta in PAN. "Ci è voluto molto lavoro dopo per determinare la loro posizione e le conseguenze meccaniche nel contesto delle fibre, " Egli ha detto.

Le simulazioni di dinamica molecolare hanno rivelato che la fusione errata ha deformato le singole catene polimeriche e ha formato D-loop. Questi anelli divennero il principale fattore limitante della decantata forza della fibra di carbonio; lo hanno ridotto fino a un fattore quattro e hanno effettivamente ridotto le stime teoriche della resistenza delle fibre più vicine a quanto osservato sperimentalmente, hanno riferito i ricercatori.

"Per me, la parte più intrigante è stata rendersi conto che i difetti del D-loop consentono la possibilità di vettori Burgers molto grandi, che sono quasi impossibili nei materiali 3D e sarebbe stata un'idea assurda anche solo considerare, " disse Nitant Gupta, uno studente laureato alla Rice e l'autore principale del documento. I vettori di hamburger sono una misura delle distorsioni che influenzano la forza causate dalle dislocazioni in un reticolo cristallino.

Con loro sorpresa, i ricercatori hanno scoperto che quando le catene PAN erano disallineate con l'asse della fibra, la resistenza della fibra è aumentata nonostante la presenza di D-loop.

Hanno anche determinato che i D-loop potrebbero essere completamente prevenuti iniziando con nanonastri di grafene anziché PAN. Poiché i D-loop sono i punti più probabili in cui iniziano le crepe, secondo simulazioni, eliminarne il maggior numero possibile gioverebbe alla resistenza della fibra.

"A parte le specificità, ci piace vedere questo lavoro come un tentativo di fertilizzare questi campi a livello di modellistica atomistica, Penev ha detto. "Speriamo che questo fornisca un valore aggiunto a coloro che lavorano nel campo e, infine, a un pubblico molto più ampio".