Aquí arriba en el mundo macro, todos sentimos fatiga de vez en cuando. Es lo mismo para los paquetes de nanotubos de carbono, sin importar cuán perfectos sean sus componentes individuales.

Un estudio de la Universidad de Rice calcula cómo las tensiones y las tensiones afectan tanto a los nanotubos "perfectos" como a los ensamblados en fibras y descubrió que, si bien las fibras bajo cargas cíclicas pueden fallar con el tiempo, los tubos mismos pueden permanecer perfectos. El tiempo que los tubos o sus fibras soportan su entorno mecánico puede determinar su practicidad para las aplicaciones.

Eso hizo que el estudio, que aparece en Science Advances , importante para el teórico de materiales de Rice Boris Yakobson, el estudiante graduado Nitant Gupta y el profesor asistente de investigación Evgeni Penev de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice. Cuantificaron los efectos del estrés cíclico en los nanotubos utilizando técnicas de simulación de última generación, como el método cinético de Monte Carlo. Esperan brindar a los investigadores y a la industria una forma de predecir cuánto tiempo se espera que duren las fibras de nanotubos u otros ensamblajes en determinadas condiciones.

"La dependencia del tiempo de la fuerza o la resistencia de un nanotubo individual se estudió hace mucho tiempo en nuestro grupo, y ahora estamos contemplando sus implicaciones en el caso de la carga cíclica de los tubos y sus fibras, o ensamblajes en general", dijo Penev. "Recientemente, un par de experimentos informaron que los nanotubos de carbono y el grafeno sufren fallas catastróficas por fatiga sin daño progresivo. Esto fue lo suficientemente curioso y sorprendente como para reavivar el interés y, en última instancia, nos llevó a completar este trabajo".

Los nanotubos de carbono perfectos, considerados una de las estructuras más fuertes de la naturaleza, tienden a permanecer así a menos que algún impacto dramático se aproveche de su naturaleza frágil y los rompa en pedazos. Los investigadores encontraron a través de simulaciones a escala atómica que, en condiciones ambientales e incluso cuando se doblan o doblan, los nanotubos manejan bien el estrés de rutina. Cuando los defectos puntuales (también conocidos como defectos de Stone-Wales) aparecen espontáneamente, los efectos en estos nanotubos "infatigables" son insignificantes.

Descubrieron que los mismos principios se aplican al grafeno sin manchas.

Pero cuando millones de nanotubos se agrupan en fibras similares a hilos u otras configuraciones, la fuerza de van der Waals que une los nanotubos paralelos entre sí no evita el deslizamiento. A principios de este año, los investigadores demostraron cómo la fricción entre los tubos conduce a interfaces más fuertes entre los nanotubos y es responsable de su increíble fuerza. Usando este modelo, ahora probaron cómo la fatiga puede establecerse bajo cargas cíclicas y cómo eso finalmente conduce a la falla.

Cada vez que se estira o tensa una fibra de nanotubos, en su mayoría recuperará su forma original una vez que se libere la tensión. "Principalmente" es la clave; queda un poco de deslizamiento residual, y eso puede aumentar con cada ciclo. Esto es plasticidad:Deformación con recuperación irreversiblemente incompleta.

"La carga cíclica de la fibra de nanotubos hace que los tubos vecinos se deslicen o se acerquen entre sí, según la parte del ciclo en la que se encuentren", explicó Gupta. "Este deslizamiento no es igual, lo que provoca una acumulación de tensión general con cada ciclo. Esto se denomina trinquete de tensión, ya que la tensión general siempre aumenta en una dirección, al igual que un trinquete se mueve en una sola dirección".

Los investigadores notaron que las fibras de última generación deberían ser capaces de superar el riesgo de falla al superar el deslizamiento inevitable.

"Como sabemos, algunas de las mejores estrategias de producción de fibra de nanotubos pueden conducir a una resistencia a la tracción superior a 10 gigapascales (GPa), lo que es increíble para su aplicación en la vida cotidiana", dijo Gupta. "También descubrimos a partir de nuestras pruebas que su límite de resistencia puede ser del 30% al 50%, lo que significa que al menos hasta 3 GPa, las fibras pueden tener una vida prácticamente infinita. Eso es prometedor para su uso como materiales estructurales de baja densidad". + Explora más

Un poco de fricción ayuda mucho a lograr fibras de nanotubos más fuertes