Les chercheurs de l'Université Rice ont modélisé la relation entre la longueur des nanotubes de carbone et les liaisons croisées provoquant des frottements entre eux dans une fibre et ont découvert que le rapport peut être utilisé pour mesurer la résistance de la fibre. Crédit :Evgeni Penev/Université du riz
Les fibres de nanotubes de carbone ne sont pas aussi résistantes que les nanotubes qu'elles contiennent, mais les chercheurs de l'Université Rice s'efforcent de combler l'écart.
Un modèle informatique du théoricien des matériaux Boris Yakobson et de son équipe de la Brown School of Engineering de Rice établit une relation d'échelle universelle entre la longueur des nanotubes et la friction entre eux dans un faisceau, paramètres qui peuvent être utilisés pour affiner les propriétés des fibres pour la résistance.
Le modèle est un outil pour les scientifiques et les ingénieurs qui développent des fibres conductrices pour l'aérospatiale, automobile, applications médicales et textiles comme les vêtements intelligents. Les fibres de nanotubes de carbone ont été considérées comme une base possible pour un ascenseur spatial, un projet que Yakobson a étudié.
La recherche est détaillée dans la revue American Chemical Society ACS Nano .
En grandissant, les nanotubes de carbone individuels sont essentiellement des tubes de graphène enroulés, l'un des matériaux connus les plus solides. Mais une fois groupé, comme le font Rice et d'autres laboratoires depuis 2013, les fibres filiformes sont beaucoup plus faibles, environ un centième de la résistance des tubes individuels, selon les chercheurs.
"Un seul nanotube est à peu près la chose la plus forte que vous puissiez imaginer, en raison de ses liaisons carbone-carbone très fortes, " a déclaré le professeur adjoint de recherche Rice Evgeni Penev, membre de longue date du groupe Yakobson. "Mais quand vous commencez à faire des choses avec des nanotubes, ces choses sont beaucoup plus faibles que vous ne le pensez. Notre question est, Pourquoi? Que peut-on faire pour résoudre cette disparité ? »
Le modèle montre comment la longueur des nanotubes et la friction entre eux sont les meilleurs indicateurs de la résistance globale des fibres, et suggère des stratégies pour les rendre meilleurs. L'une consiste simplement à utiliser des nanotubes plus longs. Une autre consiste à augmenter le nombre de réticulations entre les tubes, soit chimiquement, soit par irradiation électronique pour créer des défauts qui rendent les atomes de carbone disponibles pour se lier.
Les réticulations entre les nanotubes de carbone dans un faisceau sont tout aussi importantes que la longueur des tubes pour la résistance globale de la fibre, selon des chercheurs de l'Université Rice qui ont construit un modèle informatique du phénomène. Crédit :Evgeni Penev/Université du riz
Le modèle à gros grains quantifie le frottement entre nanotubes, en particulier comment il régule le glissement lorsque les fibres sont sous tension et dans quelle mesure les connexions entre les nanotubes sont susceptibles de se rétablir après rupture. L'équilibre entre longueur et frottement est important :Plus les nanotubes sont longs, moins il faut de réticulations, et vice versa.
"Les écarts dans le sens de la longueur sont simplement fonction de la durée pendant laquelle vous pouvez fabriquer les nanotubes, " Penev a déclaré. "Ces lacunes sont essentiellement des défauts qui font glisser les interfaces lorsque vous commencez à tirer sur un paquet."
Avec cette faiblesse inhérente comme donnée, Penev et l'auteur principal Nitant Gupta, un étudiant diplômé de Rice, commencé à examiner l'impact des réticulations sur la résistance. "Nous avons modélisé les liens sous forme de dimères carbonés ou de courtes chaînes hydrocarbonées, et quand nous avons commencé à les tirer, nous avons vu qu'ils s'étiraient et se cassaient, ", a déclaré Penev.
"Ce qui est devenu clair, c'est que la force globale de cette interface dépend beaucoup de la capacité de ces réticulations à guérir, " a-t-il dit. " S'ils se cassent et se reconnectent au prochain carbone disponible pendant que les nanotubes glissent, il y aura un frottement efficace entre les tubes qui rend la fibre plus solide. C'est le cas idéal."
"Nous montrons que la densité de réticulation et la longueur jouent des rôles similaires, et nous utilisons le produit de ces deux valeurs pour caractériser la force de l'ensemble du faisceau, " Gupta a dit, notant que le modèle est disponible en téléchargement via les informations de support du document.
Penev a déclaré que tresser des nanotubes ou les lier comme des chaînes renforcerait également probablement les fibres. Ces techniques dépassent les capacités du modèle actuel, mais vaut la peine d'étudier, il a dit.
Yakobson a déclaré qu'il y a une grande valeur technologique dans le renforcement des matériaux. "C'est un travail en cours, bataille difficile dans les laboratoires du monde entier, à chaque avancée en GPa (gigapascal, une mesure de la résistance à la traction) une grande réussite.
"Notre théorie met de nombreuses données disparates dans une perspective plus claire, soulignant qu'il y a encore un long chemin vers le sommet de la force tout en suggérant également des étapes spécifiques aux expérimentateurs, " dit-il. " Ou alors nous espérons. "
