Fibra de carbono, um pilar de força na fabricação de materiais por décadas, não é tão bom quanto poderia ser, mas existem maneiras de melhorá-lo, de acordo com cientistas da Rice University.

Eles descobriram que as cadeias de polímero que compõem uma fibra de carbono comum estão sujeitas a desalinhamento durante a fabricação, um defeito que os pesquisadores compararam a um zíper defeituoso que enfraquece o produto.

O Laboratório Rice do físico teórico Boris Yakobson começou a analisar esses defeitos negligenciados e sugerir como eles poderiam ser reduzidos. O trabalho do laboratório aparece este mês em Materiais avançados .

As fibras de carbono foram fabricadas já no século 19, quando Thomas Edison os fez como filamentos para seus protótipos de lâmpadas; mas o desenvolvimento industrial sério só começou no final dos anos 50. Eles são fortes, flexível, condutor, resistente ao calor e quimicamente inerte, e têm sido usados ​​em raquetes de tênis, quadros de bicicletas e aeronaves, entre muitos outros produtos. Eles também podem ser transformados em fios para tecidos leves e resistentes.

"Embora bem estabelecido e maduro, o campo das fibras de carbono permaneceu em grande parte inerte ao uso e benefício do desenvolvimento teórico intensivo no campo 'jovem' do nanocarbono de baixa dimensão, "disse Evgeni Penev, um cientista pesquisador no laboratório de Yakobson e co-autor do artigo.

A equipe do Rice construiu modelos de computador para deduzir a ocorrência de defeitos no processo de fabricação de fibra de carbono mais amplamente utilizado, que envolve o aquecimento de poliacrilonitrila (PAN). Em 1, 500 graus Celsius, o calor queima tudo, exceto os átomos de carbono fortemente ligados, no final das contas, transformando-os em nanofitas de grafeno rudimentares alinhadas de uma maneira que evita que as fitas entrem facilmente na rede de favo de mel familiar do grafeno.

Yakobson disse que a ideia dessa "falha de fusão" na síntese de fibras veio a ele enquanto lia um artigo de biologia sobre D-loops na transcrição de RNA. Ocorreu-lhe que tais defeitos também seriam inevitáveis ​​na fibra de carbono fabricada em PAN. "Foi preciso muito trabalho depois disso para determinar seu lugar e as consequências mecânicas no contexto da fibra, " ele disse.

Simulações de dinâmica molecular revelaram que a falha de fusão entortou as cadeias de polímero individuais e formaram D-loops. Esses loops se tornaram o principal fator limitante da alardeada resistência da fibra de carbono; eles o reduziram em até um fator de quatro e efetivamente reduziram as estimativas teóricas de resistência da fibra para mais perto do que foi observado experimentalmente, os pesquisadores relataram.

"Para mim, a parte mais intrigante foi perceber que os defeitos do D-loop permitem a possibilidade de vetores Burgers muito grandes, que são quase impossíveis em materiais 3-D e teria sido uma ideia absurda de se considerar, "disse Nitant Gupta, um estudante de pós-graduação da Rice e o principal autor do artigo. Os vetores de hambúrguer são uma medida das distorções que influenciam a força causadas por deslocamentos em uma estrutura de cristal.

Para sua surpresa, os pesquisadores descobriram que quando as cadeias PAN estavam desalinhadas com o eixo da fibra, a resistência da fibra aumentou apesar da presença de D-loops.

Eles também determinaram que os D-loops podem ser evitados inteiramente começando com nanofitas de grafeno em vez de PAN. Como os D-loops são os lugares mais prováveis ​​para o início das rachaduras, de acordo com as simulações, eliminar o máximo possível deles beneficiaria a resistência da fibra.

"Além de detalhes, gostamos de ver este trabalho como uma tentativa de fertilizar esses campos em um nível de modelagem atomística, Penev disse. "Esperamos que isso agregue valor àqueles que trabalham no campo e, eventualmente, a um público muito mais amplo."