I ricercatori della Rice University hanno modellato la relazione tra la lunghezza dei nanotubi di carbonio e i collegamenti incrociati che causano attrito tra di loro in una fibra e hanno scoperto che il rapporto può essere utilizzato per misurare la forza della fibra. Credito:Evgeni Penev/Rice University
Le fibre di nanotubi di carbonio non sono così resistenti come i nanotubi che contengono, ma i ricercatori della Rice University stanno lavorando per colmare il divario.
Un modello computazionale del teorico dei materiali Boris Yakobson e del suo team alla Brown School of Engineering di Rice stabilisce una relazione di scala universale tra la lunghezza dei nanotubi e l'attrito tra di loro in un fascio, parametri che possono essere utilizzati per mettere a punto le proprietà della fibra per la resistenza.
Il modello è uno strumento per scienziati e ingegneri che sviluppano fibre conduttive per il settore aerospaziale, settore automobilistico, applicazioni mediche e tessili come l'abbigliamento intelligente. Le fibre di nanotubi di carbonio sono state considerate come una possibile base per un ascensore spaziale, un progetto studiato da Yakobson.
La ricerca è dettagliata nella rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
Come cresciuto, i singoli nanotubi di carbonio sono fondamentalmente tubi arrotolati di grafene, uno dei materiali più resistenti conosciuti. Ma quando impacchettato, come fanno Rice e altri laboratori dal 2013, le fibre filiformi sono molto più deboli, circa un centesimo della forza dei singoli tubi, secondo i ricercatori.
"Un singolo nanotubo è la cosa più forte che si possa immaginare, a causa dei suoi legami carbonio-carbonio molto forti, " ha detto il professore assistente di ricerca della Rice Evgeni Penev, un membro di lunga data del gruppo Yakobson. "Ma quando inizi a fare cose con i nanotubi, quelle cose sono molto più deboli di quanto ti aspetteresti. La nostra domanda è, perché? Cosa si può fare per risolvere questa disparità?"
Il modello dimostra come la lunghezza dei nanotubi e l'attrito tra di essi siano i migliori indicatori della resistenza complessiva della fibra, e suggerisce strategie per migliorarli. Uno è semplicemente usare nanotubi più lunghi. Un altro è aumentare il numero di reticolazioni tra i tubi, chimicamente o mediante irradiazione di elettroni per creare difetti che rendono gli atomi di carbonio disponibili per il legame.
I legami incrociati tra i nanotubi di carbonio in un fascio sono importanti tanto quanto la lunghezza dei tubi per la resistenza complessiva della fibra, secondo i ricercatori della Rice University che hanno costruito un modello computazionale del fenomeno. Credito:Evgeni Penev/Rice University
Il modello a grana grossa quantifica l'attrito tra i nanotubi, in particolare come regola lo scorrimento quando le fibre sono sotto sforzo e quanto bene le connessioni tra i nanotubi possono recuperare dopo la rottura. L'equilibrio tra lunghezza e attrito è importante:più lunghi sono i nanotubi, sono necessari meno legami incrociati, e viceversa.
"Gli spazi vuoti in senso longitudinale sono solo una funzione di quanto tempo puoi realizzare i nanotubi, " ha detto Penev. "Questi spazi vuoti sono essenzialmente difetti che fanno scivolare le interfacce quando inizi a tirare su un fascio".
Con quella debolezza intrinseca come un dato di fatto, Penev e l'autore principale Nitant Gupta, uno studente laureato in riso, cominciò a considerare l'impatto dei legami incrociati sulla forza. "Abbiamo modellato i collegamenti come dimeri di carbonio o brevi catene di idrocarburi, e quando abbiamo iniziato a tirarli, abbiamo visto che si allungavano e si spezzavano, " ha detto Penev.
"Ciò che è diventato chiaro è che la forza complessiva di questa interfaccia dipende molto dalla capacità di questi collegamenti incrociati di guarire, " ha detto. "Se si rompono e si riconnettono al prossimo carbonio disponibile mentre i nanotubi scivolano, ci sarà un efficace attrito tra i tubi che rende la fibra più forte. Questo è il caso ideale".
"Mostriamo la densità di reticolazione e la lunghezza giocano ruoli simili, e usiamo il prodotto di questi due valori per caratterizzare la forza dell'intero fascio, "Gupta ha detto, notando che il modello è disponibile per il download tramite le informazioni di supporto del documento.
Penev ha affermato che intrecciare i nanotubi o collegarli come catene probabilmente rafforzerebbe anche le fibre. Queste tecniche vanno oltre le capacità del modello attuale, ma vale la pena studiare, Egli ha detto.
Yakobson ha detto che c'è un grande valore tecnologico nei materiali di rinforzo. "È un continuo, battaglia in salita nei laboratori di tutto il mondo, ad ogni anticipo in GPa (gigapascal, una misura della resistenza alla trazione) un grande risultato.
"La nostra teoria mette numerosi dati disparati in una prospettiva più chiara, evidenziando che c'è ancora molta strada per il vertice della forza, suggerendo anche passaggi specifici agli sperimentatori, " ha detto. "O almeno così speriamo."
