Quassù nel mondo macro, di tanto in tanto ci sentiamo tutti affaticati. È lo stesso per i fasci di nanotubi di carbonio, non importa quanto siano perfetti i loro singoli componenti.

Uno studio della Rice University calcola in che modo le sollecitazioni e le sollecitazioni influiscono sia sui nanotubi "perfetti" che su quelli assemblati in fibre e ha scoperto che mentre le fibre sotto carichi ciclici possono guastarsi nel tempo, i tubi stessi possono rimanere perfetti. Per quanto tempo i tubi o le loro fibre sostengono il loro ambiente meccanico può determinarne la praticità per le applicazioni.

Questo ha realizzato lo studio, che appare in Science Advances , importante per il teorico dei materiali della Rice Boris Yakobson, lo studente laureato Nitant Gupta e l'assistente professore di ricerca Evgeni Penev della George R. Brown School of Engineering della Rice. Hanno quantificato gli effetti dello stress ciclico sui nanotubi utilizzando tecniche di simulazione all'avanguardia come un metodo Monte Carlo cinetico. Sperano di offrire ai ricercatori e all'industria un modo per prevedere la durata prevista delle fibre di nanotubi o di altri assemblaggi in determinate condizioni.

"La dipendenza dal tempo della forza o della resistenza di un singolo nanotubo è stata studiata molto tempo fa nel nostro gruppo e ora ne stiamo contemplando le implicazioni nel caso del carico ciclico dei tubi e delle loro fibre, o degli assemblaggi in generale", ha detto Penev. "Recentemente, un paio di esperimenti hanno riportato che i nanotubi di carbonio e il grafene subiscono un guasto catastrofico a causa della fatica senza danni progressivi. Questo è stato abbastanza curioso e sorprendente da riaccendere l'interesse e alla fine ci ha portato a completare questo lavoro".

I nanotubi di carbonio perfetti, considerati una delle strutture più forti in natura, tendono a rimanere tali a meno che un impatto drammatico non sfrutti la loro natura fragile e li rompa in pezzi. I ricercatori hanno scoperto attraverso simulazioni su scala atomica che in condizioni ambientali e anche quando piegati o piegati, i nanotubi gestiscono bene lo stress di routine. Quando compaiono spontaneamente difetti puntuali (detti anche difetti di Stone-Wales), gli effetti su questi nanotubi "instancabili" sono trascurabili.

Hanno scoperto che gli stessi principi si applicano al grafene senza macchia.

Ma quando milioni di nanotubi sono raggruppati in fibre filiformi o altre configurazioni, la forza di van der Waals che lega tra loro i nanotubi paralleli non impedisce lo slittamento. All'inizio di quest'anno, i ricercatori avevano dimostrato come l'attrito tra i tubi porti a interfacce più forti tra i nanotubi ed è responsabile della loro incredibile forza. Utilizzando questo modello, ora hanno testato come la fatica può insorgere sotto carichi ciclici e come ciò porta alla fine al cedimento.

Ogni volta che una fibra di nanotubi viene allungata o tesa, recupererà principalmente la sua forma originale una volta rilasciata la tensione. "Per lo più" è la chiave; rimane un po' di slittamento residuo, che può aumentare ad ogni ciclo. Questa è plasticità:deformazione con recupero irreversibilmente incompleto.

"Il caricamento ciclico della fibra di nanotubi fa sì che i tubi vicini scivolino via o l'uno verso l'altro, a seconda della parte del ciclo in cui si trovano", ha spiegato Gupta. "Questo slittamento non è uguale, causando un accumulo complessivo di deformazione ad ogni ciclo. Questo è chiamato deformazione a cricchetto, poiché la deformazione complessiva aumenta sempre in una direzione, proprio come un cricchetto si muove in un'unica direzione."

I ricercatori hanno notato che le fibre all'avanguardia dovrebbero essere in grado di superare il rischio di guasto sopravvivendo all'inevitabile slittamento.

"Come sappiamo, alcune delle migliori strategie di produzione di fibre di nanotubi possono portare a una resistenza alla trazione superiore a 10 gigapascal (GPa), che è incredibile per la loro applicazione nella vita di tutti i giorni", ha affermato Gupta. "Abbiamo anche scoperto dai nostri test che il loro limite di resistenza può essere del 30%-50%, il che significa che almeno fino a 3 GPa le fibre possono avere una vita praticamente infinita. Questo è promettente per il loro uso come materiali strutturali a bassa densità". + Esplora ulteriormente

Un po' di attrito fa molto per ottenere fibre di nanotubi più forti