Os pesquisadores da Rice University modelaram a relação entre o comprimento dos nanotubos de carbono e as ligações cruzadas causadoras de atrito entre eles em uma fibra e descobriram que a proporção pode ser usada para medir a resistência da fibra. Crédito:Evgeni Penev / Rice University
As fibras de nanotubos de carbono não são tão fortes quanto os nanotubos que contêm, mas os pesquisadores da Rice University estão trabalhando para fechar a lacuna.
Um modelo computacional do teórico de materiais Boris Yakobson e sua equipe da Rice's Brown School of Engineering estabelece uma relação de escala universal entre o comprimento do nanotubo e o atrito entre eles em um pacote, parâmetros que podem ser usados para ajustar as propriedades da fibra quanto à resistência.
O modelo é uma ferramenta para cientistas e engenheiros que desenvolvem fibras condutivas para a indústria aeroespacial, automotivo, aplicações médicas e têxteis, como roupas inteligentes. As fibras de nanotubos de carbono foram consideradas uma possível base para um elevador espacial, um projeto que Yakobson estudou.
A pesquisa é detalhada na revista American Chemical Society. ACS Nano .
Conforme crescido, nanotubos de carbono individuais são basicamente tubos enrolados de grafeno, um dos materiais conhecidos mais fortes. Mas quando empacotado, como o Rice e outros laboratórios têm feito desde 2013, as fibras filiformes são muito mais fracas, cerca de um centésimo da resistência dos tubos individuais, de acordo com os pesquisadores.
"Um único nanotubo é a coisa mais forte que você pode imaginar, por causa de suas ligações carbono-carbono muito fortes, "disse o professor assistente de pesquisa do Rice, Evgeni Penev, membro de longa data do grupo Yakobson. "Mas quando você começa a fazer coisas com nanotubos, essas coisas são muito mais fracas do que você esperaria. Nossa pergunta é, porque? O que pode ser feito para resolver essa disparidade? "
O modelo demonstra como o comprimento dos nanotubos e o atrito entre eles são os melhores indicadores da resistência geral da fibra, e sugere estratégias para torná-los melhores. Uma é simplesmente usar nanotubos mais longos. Outra é aumentar o número de ligações cruzadas entre os tubos, quimicamente ou por irradiação de elétrons para criar defeitos que disponibilizam átomos de carbono para ligação.
As ligações cruzadas entre os nanotubos de carbono em um feixe são tão importantes quanto o comprimento dos tubos para a resistência geral da fibra, de acordo com pesquisadores da Rice University que construíram um modelo computacional do fenômeno. Crédito:Evgeni Penev / Rice University
O modelo de granulação grossa quantifica o atrito entre os nanotubos, especificamente como ele regula o deslizamento quando as fibras estão sob tensão e como as conexões entre os nanotubos podem se recuperar após se romper. O equilíbrio entre comprimento e fricção é importante:quanto mais longos os nanotubos, menos ligações cruzadas são necessárias, e vice versa.
"As lacunas longitudinais são apenas uma função de quanto tempo você pode fazer os nanotubos, "Penev disse." Essas lacunas são essencialmente defeitos que fazem as interfaces escorregar quando você começa a puxar um pacote. "
Com essa fraqueza inerente como um dado, Penev e o autor principal Nitant Gupta, um estudante de pós-graduação da Rice, começou a observar o impacto das ligações cruzadas na resistência. "Modelamos as ligações como dímeros de carbono ou cadeias curtas de hidrocarbonetos, e quando começamos a puxá-los, vimos que eles iriam se esticar e quebrar, "Penev disse.
"O que ficou claro foi que a força geral dessa interface depende muito da capacidade de recuperação dessas ligações cruzadas, "disse ele." Se eles se quebrarem e se reconectarem ao próximo carbono disponível conforme os nanotubos escorregam, haverá um atrito efetivo entre os tubos que torna a fibra mais forte. Esse é o caso ideal. "
"Mostramos que a densidade de reticulação e o comprimento desempenham papéis semelhantes, e usamos o produto desses dois valores para caracterizar a força de todo o pacote, "Gupta disse, observando que o modelo está disponível para download através das informações de suporte do jornal.
Penev disse que entrançar nanotubos ou ligá-los como cadeias provavelmente fortaleceria as fibras. Essas técnicas estão além das capacidades do modelo atual, mas vale a pena estudar, ele disse.
Yakobson disse que há um grande valor tecnológico nos materiais de reforço. "É um processo contínuo, batalha difícil em laboratórios de todo o mundo, com cada avanço no GPa (gigapascal, uma medida de resistência à tração) uma grande conquista.
"Nossa teoria coloca vários dados díspares em uma perspectiva mais clara, destacando que ainda há um longo caminho até o pico de força e, ao mesmo tempo, sugerindo etapas específicas para os experimentadores, "ele disse." Ou assim nós esperamos. "
