Esecuzione di simulazioni al computer all'avanguardia, un team di ricerca KAIST ha identificato un principio di progettazione atomistica per produrre alta qualità, fibre di carbonio di nuova generazione.

Le fibre di carbonio sono leggere ma eccellenti in termini di resistenza meccanica e resistenza termica. Vantando queste proprietà, possono essere variamente applicati in settori ad alta tecnologia, compreso quello automobilistico, aerospaziale, e ingegneria nucleare.

Sono prodotti da un precursore polimerico attraverso una serie di filature, stabilizzazione, e processi di carbonizzazione. Però, c'è un grosso ostacolo alla produzione di fibre di carbonio di alta qualità. Questo è, quando esistono regioni mal definite all'interno delle matrici polimeriche, provocano disordine e difetti all'interno delle fibre di carbonio prodotte.

Come soluzione a questo problema, è stato proposto che l'introduzione di nanotubi di carbonio (CNT) potrebbe migliorare l'orientamento e la cristallizzazione dei polimeri. Però, sebbene la geometria di allineamento dell'interfaccia CNT-polimero apparentemente influisca sulla qualità delle fibre prodotte, la comprensione atomistica dell'interfaccia CNT-polimero è stata finora carente, ostacolando ulteriori sviluppi.

Per chiarire la natura delle interazioni CNT-polimero, Professor Yong-Hoon Kim della Graduate School of Energy, Ambiente, Water and Sustainability e il suo team hanno utilizzato un approccio multiscala che combina calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) dei primi principi e simulazioni della dinamica molecolare (MD) dei campi di forza e ha rivelato le caratteristiche strutturali ed elettroniche uniche delle interfacce polimero-CNT.

Qui, hanno studiato le strutture ibride poliacrilonitrile (PAN)-CNT come caso rappresentativo di compositi polimero-CNT. PAN è il precursore polimerico più comune, prendendo più del 90 per cento della produzione di fibra di carbonio.

Sulla base dei loro calcoli DFT, il team ha dimostrato che le configurazioni PAN sdraiate forniscono un'energia di legame PAN-CNT maggiore rispetto alle loro controparti in piedi. Inoltre, è stato dimostrato che massimizzare la configurazione PAN sdraiata consente allineamenti lineari di PAN su CNT, consentendo l'imballaggio PAN-PAN a lungo raggio ordinato desiderabile.

Hanno anche identificato la curvatura del CNT come un altro fattore significativo, fornendo la più grande energia di legame PAN-CNT nel limite del grafene a curvatura zero. Conduzione di simulazioni MD su larga scala, hanno poi dimostrato che i nanonastri di grafene sono un promettente candidato al nano-rinforzo di carbonio, mostrando esplicitamente la sua forte propensione a indurre allineamenti lineari dei PAN adsorbiti su di essi.

Il professor Kim ha detto, "Questa ricerca può essere un caso esemplare in cui le simulazioni della meccanica quantistica identificano i principi di base per lo sviluppo di materiali avanzati. Gli studi di simulazione al computer svolgeranno un ruolo maggiore grazie ai progressi nella teoria della simulazione e nelle prestazioni del computer".