Realización de simulaciones informáticas de última generación, un equipo de investigación de KAIST identificó un principio de diseño atomístico para producir alta calidad, Fibras de carbono de próxima generación.

Las fibras de carbono son livianas pero excelentes en resistencia mecánica y térmica. Con estas propiedades, se pueden aplicar de manera diversa en sectores de alta tecnología, incluyendo automotriz, aeroespacial, e ingeniería nuclear.

Se producen a partir de un polímero precursor mediante una serie de hilatura, estabilización, y procesos de carbonización. Sin embargo, Existe un gran obstáculo para la producción de fibras de carbono de alta calidad. Es decir, cuando existen regiones mal definidas dentro de las matrices poliméricas, dan como resultado desorden y defectos dentro de las fibras de carbono producidas.

Como solución a este problema, Se propuso que la introducción de nanotubos de carbono (CNT) podría mejorar la orientación y cristalización del polímero. Sin embargo, aunque la geometría de alineación de la interfaz CNT-polímero aparentemente afecta la calidad de las fibras producidas, la comprensión atomística de la interfaz CNT-polímero hasta ahora ha faltado, obstaculizar nuevos desarrollos.

Para aclarar la naturaleza de las interacciones CNT-polímero, El profesor Yong-Hoon Kim de la Escuela de Posgrado en Energía, Medio ambiente, Water and Sustainability y su equipo emplearon un enfoque multiescala que combina cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) de primeros principios y simulaciones de dinámica molecular (MD) de campos de fuerza y ​​revelaron las características estructurales y electrónicas únicas de las interfaces polímero-CNT.

Aquí, estudiaron estructuras híbridas de poliacrilonitrilo (PAN) -CNT como un caso representativo de compuestos polímero-CNT. PAN es el precursor de polímero más común, tomando más del 90 por ciento de la producción de fibra de carbono.

Según sus cálculos de DFT, el equipo demostró que las configuraciones de PAN acostado dan una energía de enlace PAN-CNT más grande que sus contrapartes de pie. Es más, Se demostró que maximizar la configuración de PAN acostado permite alineamientos lineales de PAN en CNT, permitiendo el empaque PAN-PAN de largo alcance ordenado deseable.

También identificaron la curvatura CNT como otro factor significativo, dando la mayor energía de enlace PAN-CNT en el límite de grafeno de curvatura cero. Realización de simulaciones MD a gran escala, Luego demostraron que las nanocintas de grafeno son un candidato prometedor para el nano-refuerzo de carbono al mostrar explícitamente su fuerte propensión a inducir alineamientos lineales de PAN adsorbidos en ellas.

El profesor Kim dijo:"Esta investigación puede ser un caso ejemplar donde las simulaciones de la mecánica cuántica identifican principios básicos para el desarrollo de materiales avanzados. Los estudios de simulación por computadora jugarán un papel más importante gracias a los avances en la teoría de la simulación y el rendimiento de la computadora".