Une « fermeture éclair » défectueuse des rubans à base de polymère peut entraîner la formation de boucles D dans les feuilles graphitiques de fibres de carbone, selon les scientifiques de l'Université Rice. Crédit :Nitant Gupta et Evgeni Penev/Université du riz
Fibre de carbone, un pilier de force dans la fabrication de matériaux depuis des décennies, n'est pas aussi bon qu'il pourrait l'être, mais il y a moyen de l'améliorer, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Ils ont découvert que les chaînes polymères qui composent une fibre de carbone commune ont tendance à se désaligner pendant la fabrication, un défaut que les chercheurs comparent à une fermeture à glissière défectueuse qui fragilise le produit.
Le laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson a entrepris d'analyser ces défauts négligés et de suggérer comment ils pourraient être réduits. Les travaux du laboratoire paraissent ce mois-ci dans Matériaux avancés .
Les fibres de carbone ont été fabriquées dès le 19ème siècle, quand Thomas Edison les a fabriqués comme filaments pour ses prototypes d'ampoules; mais le développement industriel sérieux n'a commencé qu'à la fin des années 50. Ils sont forts, souple, conducteur, résistant à la chaleur et chimiquement inerte, et ont été utilisés dans les raquettes de tennis, cadres de vélos et avions, parmi de nombreux autres produits. Ils peuvent également être filés en fil pour des tissus légers et résistants.
« Bien que bien établi et mature, le domaine des fibres de carbone est largement resté inerte face à l'utilisation et au profit du développement théorique intensif dans le domaine "jeune" des nanocarbones de faible dimension, " a déclaré Evgeni Penev, chercheur au laboratoire de Yakobson et co-auteur de l'article.
L'équipe Rice a construit des modèles informatiques pour déduire l'apparition de défauts dans le processus de fabrication de fibre de carbone le plus largement utilisé, qui consiste à chauffer du polyacrylonitrile (PAN). À 1, 500 degrés Celsius, la chaleur brûle tout sauf les atomes de carbone fortement liés, les transformant finalement en nanorubans de graphène rudimentaires alignés de manière à empêcher les rubans de se glisser facilement dans le réseau en nid d'abeille familier du graphène.
La formation de boucles en forme de D est due à la mauvaise fusion de nanorubans à base de PAN, selon une nouvelle théorie des scientifiques de l'Université Rice. Crédit :Nitant Gupta et Evgeni Penev/Université du riz
Yakobson a déclaré que l'idée de cette « erreur de fusion » dans la synthèse des fibres lui est venue en lisant un article de biologie sur les boucles D dans la transcription de l'ARN. Il lui est venu à l'esprit que de tels défauts seraient également inévitables dans la fibre de carbone fabriquée en PAN. « Il a fallu beaucoup de travail par la suite pour déterminer leur place et leurs conséquences mécaniques dans le contexte de la fibre, " il a dit.
Des simulations de dynamique moléculaire ont révélé qu'une erreur de fusion a bouclé les chaînes polymères individuelles et formé des boucles D. Ces boucles sont devenues le principal facteur limitant de la résistance tant vantée de la fibre de carbone; ils l'ont réduit jusqu'à un facteur de quatre et ont effectivement réduit les estimations théoriques de la résistance des fibres plus proches de ce qui a été observé expérimentalement, les chercheurs ont rapporté.
"Tome, la partie la plus intrigante a été de réaliser que les défauts de la boucle D permettent la possibilité de très grands vecteurs Burgers, qui sont presque impossibles dans les matériaux 3-D et auraient été une idée absurde à considérer même, " dit Nitant Gupta, un étudiant diplômé de Rice et l'auteur principal de l'article. Les vecteurs de hamburgers sont une mesure des distorsions influant sur la force causées par les dislocations dans un réseau cristallin.
A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que lorsque les chaînes PAN étaient mal alignées avec l'axe de la fibre, la résistance de la fibre a augmenté malgré la présence de boucles D.
Ils ont également déterminé que les boucles D pourraient être entièrement évitées en commençant par des nanorubans de graphène plutôt que par PAN. Parce que les boucles D sont les endroits les plus probables pour les fissures, selon des simulations, éliminer le plus grand nombre d'entre eux serait bénéfique pour la résistance de la fibre.
« En dehors des détails, nous aimons voir ce travail comme une tentative de fertilisation croisée de ces domaines au niveau de la modélisation atomistique, " Penev a déclaré. "Nous espérons que cela apportera une valeur ajoutée à ceux qui travaillent sur le terrain et éventuellement à un public beaucoup plus large."
