Los investigadores de la Universidad de Rice modelaron la relación entre la longitud de los nanotubos de carbono y los enlaces cruzados que causan la fricción entre ellos en una fibra y encontraron que la relación puede usarse para medir la resistencia de la fibra. Crédito:Evgeni Penev / Rice University
Las fibras de nanotubos de carbono no son tan fuertes como los nanotubos que contienen, pero los investigadores de la Universidad de Rice están trabajando para cerrar la brecha.
Un modelo computacional del teórico de materiales Boris Yakobson y su equipo en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice establece una relación de escala universal entre la longitud de los nanotubos y la fricción entre ellos en un paquete. parámetros que se pueden utilizar para ajustar las propiedades de la fibra para su resistencia.
El modelo es una herramienta para científicos e ingenieros que desarrollan fibras conductoras para la industria aeroespacial, automotor, aplicaciones médicas y textiles como ropa inteligente. Las fibras de nanotubos de carbono se han considerado como una posible base para un ascensor espacial, un proyecto que Yakobson ha estudiado.
La investigación se detalla en la revista American Chemical Society ACS Nano .
Como crecido, Los nanotubos de carbono individuales son básicamente tubos enrollados de grafeno, uno de los materiales más fuertes conocidos. Pero cuando está empaquetado, como lo han estado haciendo Rice y otros laboratorios desde 2013, las fibras filiformes son mucho más débiles, aproximadamente una centésima parte de la resistencia de los tubos individuales, según los investigadores.
"Un solo nanotubo es lo más fuerte que puedas imaginar, debido a sus enlaces carbono-carbono muy fuertes, ", dijo el profesor asistente de investigación de Rice Evgeni Penev, miembro desde hace mucho tiempo del grupo Yakobson. "Pero cuando empiezas a hacer cosas con nanotubos, esas cosas son mucho más débiles de lo que cabría esperar. Nuestra pregunta es ¿Por qué? ¿Qué se puede hacer para resolver esta disparidad? "
El modelo demuestra cómo la longitud de los nanotubos y la fricción entre ellos son los mejores indicadores de la resistencia general de la fibra. y sugiere estrategias para mejorarlos. Uno es simplemente usar nanotubos más largos. Otro es aumentar el número de enlaces cruzados entre los tubos, ya sea químicamente o por irradiación de electrones para crear defectos que hacen que los átomos de carbono estén disponibles para unirse.
Los enlaces cruzados entre los nanotubos de carbono en un paquete son tan importantes como la longitud de los tubos para la resistencia general de la fibra. según investigadores de la Universidad de Rice que construyeron un modelo computacional del fenómeno. Crédito:Evgeni Penev / Rice University
El modelo de grano grueso cuantifica la fricción entre nanotubos, específicamente cómo regula el deslizamiento cuando las fibras están bajo tensión y qué tan bien es probable que se recuperen las conexiones entre nanotubos después de romperse. El equilibrio entre longitud y fricción es importante:cuanto más largos son los nanotubos, se necesitan menos enlaces cruzados, y viceversa.
"Los espacios a lo largo son solo una función de cuánto tiempo puedes hacer los nanotubos, ", Dijo Penev." Estos huecos son esencialmente defectos que hacen que las interfaces se deslicen cuando empiezas a tirar de un paquete ".
Con esa debilidad inherente como un hecho, Penev y el autor principal Nitant Gupta, un estudiante graduado de Rice, comenzó a observar el impacto de los enlaces cruzados en la fuerza. "Modelamos los enlaces como dímeros de carbono o cadenas cortas de hidrocarburos, y cuando empezamos a tirar de ellos, vimos que se estirarían y romperían, "Dijo Penev.
"Lo que quedó claro fue que la solidez general de esta interfaz depende en gran medida de la capacidad de curación de estos enlaces cruzados, ", dijo." Si se rompen y se vuelven a conectar al siguiente carbono disponible a medida que se deslizan los nanotubos, Habrá una fricción efectiva entre los tubos que fortalece la fibra. Ese es el caso ideal ".
"Mostramos que la densidad de reticulación y la longitud desempeñan funciones similares, y usamos el producto de estos dos valores para caracterizar la fuerza de todo el paquete, "Gupta dijo, teniendo en cuenta que el modelo está disponible para su descarga a través de la información de respaldo del documento.
Penev dijo que trenzar nanotubos o unirlos como cadenas también probablemente fortalecería las fibras. Esas técnicas están más allá de las capacidades del modelo actual, pero vale la pena estudiar, él dijo.
Yakobson dijo que hay un gran valor tecnológico en el fortalecimiento de materiales. "Es un batalla cuesta arriba en laboratorios de todo el mundo, con cada avance en GPa (gigapascal, una medida de resistencia a la tracción) un gran logro.
"Nuestra teoría pone numerosos datos dispares en una perspectiva más clara, destacando que todavía hay un largo camino hacia la cima de la fuerza al tiempo que sugiere pasos específicos para los experimentadores, ", dijo." O eso esperamos ".
