Réaliser des simulations informatiques de pointe, une équipe de recherche KAIST a identifié un principe de conception atomistique pour produire de haute qualité, fibres de carbone de nouvelle génération.

Les fibres de carbone sont légères mais excellentes en termes de résistance mécanique et de résistance thermique. Bénéficiant de ces propriétés, ils peuvent être diversement appliqués dans les secteurs de haute technologie, y compris l'automobile, aérospatial, et le génie nucléaire.

Ils sont produits à partir d'un précurseur de polymère par une série de filature, stabilisation, et les processus de carbonisation. Cependant, il existe un obstacle majeur à la production de fibres de carbone de haute qualité. C'est-à-dire, lorsqu'il existe des régions mal définies au sein des matrices polymères, ils entraînent des désordres et des défauts au sein des fibres de carbone produites.

Comme solution à ce problème, il a été suggéré que l'introduction de nanotubes de carbone (CNT) pourrait améliorer l'orientation et la cristallisation des polymères. Cependant, bien que la géométrie d'alignement de l'interface CNT-polymère affecte apparemment la qualité des fibres produites, la compréhension atomistique de l'interface CNT-polymère faisait jusqu'à présent défaut, entraver les développements ultérieurs.

Pour clarifier la nature des interactions CNT-polymère, Professeur Yong-Hoon Kim de la Graduate School of Energy, Environnement, Water and Sustainability et son équipe ont utilisé une approche multi-échelle qui combine les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) des premiers principes et les simulations de dynamique moléculaire (MD) des champs de force et a révélé les caractéristiques structurelles et électroniques uniques des interfaces polymère-CNT.

Ici, ils ont étudié les structures hybrides polyacrylonitrile (PAN)-CNT comme cas représentatif de composites polymère-CNT. PAN est le précurseur de polymère le plus courant, prenant plus de 90 pour cent de la production de fibre de carbone.

Sur la base de leurs calculs DFT, l'équipe a montré que les configurations PAN couchées donnent une énergie de liaison PAN-CNT plus importante que leurs homologues debout. De plus, Il a été démontré que la maximisation de la configuration PAN couchée permettait des alignements linéaires de PAN sur CNT, permettant l'emballage PAN-PAN longue portée commandé souhaitable.

Ils ont également identifié la courbure du CNT comme un autre facteur important, donnant la plus grande énergie de liaison PAN-CNT dans la limite du graphène à courbure zéro. Réalisation de simulations MD à grande échelle, ils ont ensuite démontré que les nanorubans de graphène sont un candidat prometteur pour le nano-renforcement de carbone en montrant explicitement sa forte propension à induire des alignements linéaires de PAN adsorbés sur eux.

Le professeur Kim a dit :"Cette recherche peut être un cas exemplaire où les simulations de mécanique quantique identifient les principes de base pour le développement de matériaux avancés. Les études de simulation informatique joueront un rôle plus important grâce aux progrès de la théorie de la simulation et des performances des ordinateurs."