Le modèle peut conduire à de meilleurs matériaux pour les applications aérospatiales, automobiles et médicales – Technoguide

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 de calcul par le théoricien des matériaux Boris Yakobson et son équipe de la Brown School of Engineering de Rice établit une relation de mise à l’échelle universelle entre la longueur des nanotubes et le frottement entre eux dans un faisceau, paramètres qui peuvent être utilisés pour affiner les propriétés des fibres pour la résistance.

Le modèle est un outil destiné aux scientifiques et aux ingénieurs qui développent des fibres conductrices pour des applications aérospatiales, automobiles, médicales et textiles telles que les vêtements intelligents. Les fibres de nanotubes de carbone ont été considérées comme une base possible pour un ascenseur spatial, un projet étudié par Yakobson.

La recherche est détaillée dans la revue ACS Nano de l’American Chemical Society.

Une fois développés, les nanotubes de carbone individuels sont essentiellement des tubes enroulés de graphène, l’un des matériaux connus les plus résistants. Mais lorsqu’elles sont regroupées, 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 la chose la plus forte que vous puissiez imaginer, en raison de ses très fortes liaisons carbone-carbone», a déclaré Evgeni Penev, professeur adjoint de recherche chez Rice, membre de longue date du groupe Yakobson. “Mais lorsque vous commencez à fabriquer des choses à partir de 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 démontre comment la longueur des nanotubes et le frottement entre eux sont les meilleurs indicateurs de la résistance globale des fibres, et suggère des stratégies pour les améliorer. La première 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 la liaison.

Le modèle à gros grains quantifie le frottement entre les 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 la rupture. L’équilibre entre la longueur et le frottement est important: plus les nanotubes sont longs, moins il faut de réticulations, et vice versa.

“Les écarts longitudinaux ne sont qu’une fonction de la durée pendant laquelle vous pouvez fabriquer les nanotubes”, a déclaré Penev. “Ces lacunes sont essentiellement des défauts qui font glisser les interfaces lorsque vous commencez à tirer sur un paquet.”

Avec cette faiblesse inhérente comme une évidence, Penev et l’auteur principal Nitant Gupta, un étudiant diplômé de Rice, ont commencé à se pencher sur l’impact des liens croisés sur la force. “Nous avons modélisé les maillons sous forme de dimères de carbone ou de courtes chaînes d’hydrocarbures, et lorsque nous avons commencé à les tirer, nous avons vu qu’ils s’étireraient et se briseraient”, a déclaré Penev.

“Ce qui est devenu clair, c’est que la force globale de cette interface dépend beaucoup de la capacité de ces liens croisés à guérir”, a-t-il déclaré. “S’ils se cassent et se reconnectent au prochain carbone disponible lorsque les nanotubes glissent, il y aura un frottement efficace entre les tubes qui rendra 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 paquet”, a déclaré Gupta, notant que le modèle est disponible en téléchargement via les informations de support du document.

Penev a déclaré que tresser des nanotubes ou les relier comme des chaînes renforcerait probablement les fibres. Ces techniques dépassent les capacités du modèle actuel, mais méritent d’être étudiées, a-t-il déclaré.

Yakobson a déclaré qu’il y avait une grande valeur technologique dans le renforcement des matériaux. «C’est une bataille continue et ardue dans les laboratoires du monde entier, chaque avancée du GPa (gigapascal, une mesure de la résistance à la traction) étant 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”, a-t-il déclaré. “Ou alors nous l’espérons.”

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