Fibra de carbon, un pilar de fuerza en la fabricación de materiales durante décadas, no es tan bueno como podría ser, pero hay formas de mejorarlo, según los científicos de la Universidad de Rice.

Descubrieron que las cadenas de polímero que componen una fibra de carbono común son propensas a desalinearse durante la fabricación. un defecto que los investigadores compararon con una cremallera defectuosa que debilita el producto.

El laboratorio de Rice del físico teórico Boris Yakobson se propuso analizar estos defectos pasados ​​por alto y sugerir cómo podrían reducirse. El trabajo del laboratorio aparece este mes en Materiales avanzados .

Las fibras de carbono se fabricaron ya en el siglo XIX, cuando Thomas Edison los hizo como filamentos para sus prototipos de bombillas; pero el desarrollo industrial serio no comenzó hasta finales de los años 50. Son fuertes, flexible, conductivo, resistente al calor y químicamente inerte, y se han utilizado en raquetas de tenis, cuadros de bicicletas y aviones, entre muchos otros productos. También se pueden hilar en hilo para telas ligeras y resistentes.

"Aunque bien establecido y maduro, el campo de las fibras de carbono se ha mantenido en gran medida inerte para utilizar y beneficiarse del desarrollo teórico intensivo en el campo 'joven' de los nanocarbonos de baja dimensión, "dijo Evgeni Penev, científico investigador del laboratorio de Yakobson y coautor del artículo.

El equipo de Rice construyó modelos informáticos para deducir la aparición de defectos en el proceso de fabricación de fibra de carbono más utilizado. que implica calentar poliacrilonitrilo (PAN). A la 1, 500 grados centígrados, el calor quema todos menos los átomos de carbono fuertemente unidos, en última instancia, convirtiéndolos en nanocintas de grafeno rudimentarias alineadas de una manera que evita que las cintas se peguen fácilmente al entramado de panal familiar del grafeno.

Yakobson dijo que la idea de esta "confusión" en la síntesis de fibras se le ocurrió mientras leía un artículo de biología sobre los bucles D en la transcripción del ARN. Se le ocurrió que tales defectos serían inevitables también en la fibra de carbono hecha con PAN. "Después de eso, tomó mucho trabajo determinar su lugar y las consecuencias mecánicas en el contexto de la fibra, " él dijo.

Las simulaciones de dinámica molecular revelaron que la fusión errónea abrochaba las cadenas de polímeros individuales y formaba bucles D. Estos bucles se convirtieron en el principal factor limitante de la tan cacareada fuerza de la fibra de carbono; lo redujeron hasta en un factor de cuatro y redujeron efectivamente las estimaciones teóricas de la resistencia de la fibra más cerca de lo que se ha observado experimentalmente, informaron los investigadores.

"A mi, la parte más intrigante fue darse cuenta de que los defectos del bucle D permiten la posibilidad de vectores Burgers muy grandes, que son casi imposibles en materiales 3-D y hubiera sido una idea absurda incluso considerar, "dijo Nitant Gupta, estudiante de posgrado de Rice y autor principal del artículo. Los vectores de hamburguesas son una medida de las distorsiones que influyen en la fuerza causadas por dislocaciones en una red cristalina.

Para su sorpresa, los investigadores descubrieron que cuando las cadenas PAN estaban desalineadas con el eje de la fibra, la resistencia de la fibra aumentó a pesar de la presencia de bucles en D.

También determinaron que los bucles D podrían evitarse por completo comenzando con nanocintas de grafeno en lugar de PAN. Debido a que los bucles en D son los lugares más probables para que comiencen las grietas, según simulaciones, eliminar tantos de ellos como sea posible beneficiaría la fuerza de la fibra.

"Aparte de los detalles, Nos gusta ver este trabajo como un intento de fertilizar estos campos a un nivel de modelado atomístico, ", Dijo Penev." Esperamos que esto proporcione un valor agregado a quienes trabajan en el campo y, finalmente, a una audiencia mucho más amplia ".