一点摩擦对更强的纳米管纤维大有帮助

碳纳米管纤维的强度远不及它们所含的纳米管，但莱斯大学的研究人员正在努力缩小这一差距。材料理论家鲍里斯·雅科布森 (Boris Yakobson) 及其在赖斯布朗工程学院的团队建立了一个计算模型，在纳米管长度和它们之间的摩擦力之间建立了通用比例关系，这些参数可用于微调纤维特性以提高强度。

该模型是为航空航天、汽车、医疗和纺织应用(如智能服装)开发导电纤维的科学家和工程师的工具。Yakobson 研究了一个项目，碳纳米管纤维被认为是太空电梯的可能基础。

该研究在化学学会期刊ACS Nano 中有详细介绍。

随着生长，单个碳纳米管基本上是石墨烯卷起的管，石墨烯是已知最强的材料之一。但根据研究人员的说法，当捆绑在一起时，正如赖斯和其他实验室自 2013 年以来所做的那样，线状纤维要弱得多，大约是单个管的强度的百分之一。

Yakobson 小组的长期成员、赖斯助理研究教授 Evgeni Penev 说：“一根纳米管是你能想象到的最强的东西，因为它具有非常强的碳-碳键。” “但是当你开始用纳米管制造东西时，这些东西比你想象的要弱得多。我们的问题是，为什么?可以做些什么来解决这种差异?”

该模型展示了纳米管的长度和它们之间的摩擦力如何成为整体纤维强度的最佳指标，并提出了使它们变得更好的策略。一种是简单地使用更长的纳米管。另一种方法是增加管之间的交联数量，通过化学方式或通过电子辐射来产生缺陷，使碳原子可用于键合。

莱斯大学的研究人员建立了这种现象的计算模型，据研究人员称，束中的碳纳米管之间的交联与管的长度对整体纤维的强度一样重要。图片来源：Evgeni Penev/莱斯大学

粗粒度模型量化了纳米管之间的摩擦，特别是当纤维处于应变下时它如何调节滑动以及纳米管之间的连接在断裂后可能恢复的程度。长度和摩擦力之间的平衡很重要：纳米管越长，需要的交联越少，反之亦然。

“纵向间隙只是你可以制造纳米管多长时间的函数，”佩内夫说。“这些间隙本质上是缺陷，当您开始拉动捆绑时会导致接口滑动。”

鉴于这种固有的弱点，Penev 和主要作者、莱斯大学研究生 Nitant Gupta 开始研究交联对强度的影响。“我们将链接建模为碳二聚体或短烃链，当我们开始拉动它们时，我们看到它们会拉伸和断裂，”佩内夫说。

“显而易见的是，这种界面的整体强度在很大程度上取决于这些交联的愈合能力，”他说。“如果它们在纳米管滑动时断裂并重新连接到下一个可用的碳上，那么管子之间就会产生有效的摩擦，使纤维更坚固。这是理想的情况。”

“我们展示了交联密度和长度起着相似的作用，我们使用这两个值的乘积来表征整个束的强度，”古普塔说，并指出该模型可通过论文的支持信息下载。

Penev 说，编织纳米管或将它们像链一样连接起来也可能会增强纤维。他说，这些技术超出了当前模型的能力，但值得研究。

Yakobson 说强化材料具有巨大的技术价值。“这是世界各地实验室正在进行的艰苦战斗，GPa(千兆帕斯卡，抗拉强度的量度)的每一次进步都是一项伟大的成就。

他说：“我们的理论以更清晰的视角将大量不同的数据放在了一起，强调了要达到强度顶峰还有很长的路要走，同时也向实验者提出了具体的步骤。” “或者我们希望如此。”

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