Realizando simulações de computador de última geração, uma equipe de pesquisa KAIST identificou um princípio de design atomístico para produzir alta qualidade, fibras de carbono de última geração.

As fibras de carbono são leves, mas excelentes em resistência mecânica e resistência térmica. Ostentando essas propriedades, eles podem ser aplicados diversamente em setores de alta tecnologia, incluindo automotivo, aeroespacial, e engenharia nuclear.

Eles são produzidos a partir de um precursor de polímero por meio de uma série de fiação, estabilização, e processos de carbonização. Contudo, existe um grande obstáculo para a produção de fibras de carbono de alta qualidade. Isso é, quando existem regiões mal definidas dentro das matrizes poliméricas, eles resultam em desordem e defeitos nas fibras de carbono produzidas.

Como solução para este problema, foi proposto que a introdução de nanotubos de carbono (CNT) poderia aumentar a orientação e cristalização do polímero. Contudo, embora a geometria de alinhamento da interface CNT-polímero aparentemente afete a qualidade das fibras produzidas, a compreensão atomística da interface CNT-polímero tem faltado até agora, dificultando futuros desenvolvimentos.

Para esclarecer a natureza das interações CNT-polímero, Professor Yong-Hoon Kim da Escola de Graduação em Energia, Ambiente, Water and Sustainability e sua equipe empregaram uma abordagem multiescala que combina cálculos da teoria funcional da densidade de primeiros princípios (DFT) e simulações de dinâmica molecular (MD) de campos de força e revelaram as características estruturais e eletrônicas únicas das interfaces polímero-CNT.

Aqui, eles estudaram estruturas híbridas de poliacrilonitrila (PAN) -CNT como um caso representativo de compósitos polímero-CNT. PAN é o precursor de polímero mais comum, tendo mais de 90 por cento da produção de fibra de carbono.

Com base em seus cálculos DFT, a equipe mostrou que as configurações de PAN deitadas fornecem uma energia de ligação PAN-CNT maior do que suas contrapartes de pé. Além disso, maximizar a configuração de PAN deitada foi mostrado para permitir alinhamentos lineares de PANs no CNT, permitindo a desejável embalagem PAN-PAN de longo alcance solicitada.

Eles também identificaram a curvatura CNT como outro fator significativo, dando a maior energia de ligação PAN-CNT no limite do grafeno com curvatura zero. Realização de simulações de MD em grande escala, eles então demonstraram que as nanofitas de grafeno são um candidato promissor ao reforço de carbono ao mostrar explicitamente sua forte propensão para induzir alinhamentos lineares de PANs adsorvidos nelas.

Professor Kim disse, "Esta pesquisa pode ser um caso exemplar em que as simulações da mecânica quântica identificam os princípios básicos para o desenvolvimento de materiais avançados. Os estudos de simulação em computador terão um papel maior graças aos avanços na teoria da simulação e no desempenho do computador."