Las fibras de nanotubos se mantienen fuertes, pero ¿cómo

HOUSTON – (22 de diciembre de 2021) – Aquí, en el mundo macro, todos nos sentimos cansados ​​de vez en cuando. Lo mismo para los paquetes nanotubos de carbon, sean cuales sean sus componentes individuales, son perfectos.

El estudio de la Universidad de Rice calcula cómo son Y presiones Afecta tanto a los nanotubos «ideales» como a los nanotubos ensamblados en ellos fibras Descubrió que, si bien las fibras sometidas a cargas cíclicas pueden fallar con el tiempo, los propios tubos pueden seguir siendo perfectos. El tiempo que los tubos o sus fibras pueden mantener su entorno mecánico puede determinar su viabilidad para las aplicaciones.

Esto hizo que el estudio que aparece en progreso de la ciencia, importante para la apariencia de los materiales de arroz Boris Jacobson,graduado nitant gupta y profesor asistente de investigación Yevgeny Benev de arroz Escuela George R. Ingeniería marrón. Determinaron los efectos del estrés cíclico en nanotubos utilizando técnicas de simulación modernas como Montecarlo cinético método. Esperan dar a los investigadores y a la industria una forma de predecir cuánto tiempo se puede esperar que persistan las fibras de nanotubos u otros conjuntos bajo ciertas condiciones.

«el Confianza en el tiempo La fuerza o resistencia de los nanotubos individuales se ha estudiado durante mucho tiempo en nuestro grupo, y ahora estamos considerando sus efectos en el caso de la carga cíclica de los tubos y sus fibras, o conjuntos en general «, dijo Benev. Recientemente, dos experimentos informaron que el carbono Los nanotubos y el grafeno sufren fallas catastróficas de fatiga sin daño progresivo. Esto fue lo suficientemente curioso y sorprendente como para reavivar el interés y finalmente nos llevó a completar este trabajo «.

Los nanotubos de carbono perfectos, considerados una de las estructuras más fuertes de la naturaleza, tienden a seguir siéndolo a menos que un impacto dramático explote su naturaleza frágil y los rompa en pedazos. A través de simulaciones a escala de átomo, los investigadores encontraron que en condiciones ambientales e incluso cuando están doblados o retorcidos, los nanotubos manejan bien el estrés de rutina. Cuando los defectos puntuales (también conocidos como Desventajas de Stone Wells) aparecen automáticamente, los efectos sobre estos «infatigable“Los nanotubos son insignificantes.

Encuentran que los mismos principios se aplican a la perfección grafeno.

Pero cuando millones de nanotubos se ensamblan en fibras similares a hilos u otras configuraciones, Fuerza de Van der Waals Unir nanotubos paralelos entre sí no evita el deslizamiento. A principios de este añoY Los investigadores demostraron cómo la fricción entre los tubos conduce a interfaces más fuertes entre los nanotubos y es responsable de su asombrosa fuerza. Usando este modelo, ahora prueban cómo la fatiga puede ocurrir bajo cargas cíclicas y cómo esto finalmente conduce a fallas.

Cada vez que las fibras de nanotubos se estiran o estresan, a menudo recuperarán su forma original una vez que se libere la tensión. «Mayormente» es la clave; Queda un poco de deslizamiento y puede aumentar con cada ciclo. Esto es blandura: deformación con recuperación irreversiblemente incompleta.

«La carga periódica de las fibras de nanotubos hace que los tubos adyacentes se deslicen hacia afuera o hacia el otro, dependiendo de en qué parte del ciclo se encuentren», explicó Gupta. «Este deslizamiento es desigual, lo que hace que la tensión general se acumule con cada ciclo. Esto se denomina escalada de tensión, ya que la tensión total siempre aumenta en una dirección, al igual que un trinquete se mueve en una dirección».

Los investigadores señalaron que las fibras modernas deberían poder superar los riesgos de falla resistiendo el deslizamiento inevitable.

“Como sabemos, algunas de las mejores estrategias de producción de fibra de nanotubos pueden resultar en resistencias a la tracción superiores a 10 Gigapascales (GPa), que es increíble de aplicar en la vida diaria «, dijo Gupta.» También descubrimos a partir de nuestras pruebas que su límite de tolerancia puede ser del 30% al 50%, lo que significa que hasta al menos 3 GPa para la fibra pueden ser Tiene prácticamente una vida infinita. Esto es prometedor para su uso como material estructural de baja densidad «.

La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-17-1-0262) y la Fundación Welch (C-1590) apoyaron la investigación, y los recursos informáticos fueron proporcionados por la Extreme Science Foundation and Engineering Discovery Environment (ACI-1548562) y el Grupo de Servicio de Tiempo Compartido Noctámbulos en Rice (CNS-1338099). Jakobson es el profesor Carl F. Haselmann de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería y Profesor de Química.

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Lea el resumen en https://doi.org/10.1126/sciadv.abj6996.

Este comunicado de prensa se puede encontrar en línea en https://news.rice.edu/news/2021/nanotube-fibers-stand-strong-how-long.

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Artículos relacionados:

Grupo de investigación Jacobson: http://biygroup.blogs.rice.edu

Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería: https://msne.rice.edu

Departamento de quimica: https://chemistry.rice.edu

Video:

https://youtu.be/g6hOb9PUgTo

La simulación muestra el efecto de la presión axial sobre el haz de nanotubos de carbono durante 10 ciclos. Los investigadores de la Universidad de Rice calculan cómo el estrés cíclico y la deformación afectan a los nanotubos y describen cómo las fibras pueden fallar bajo cargas cíclicas a lo largo del tiempo.

https://youtu.be/0BoWMafjcE8

GIF animado: https://news-network.rice.edu/news/files/2021/12/Dislocation-movement-in-carbon-nanotubes.gif

https://youtu.be/ZczIwQpcfIE

GIF animado: https://news-network.rice.edu/news/files/2021/12/Shear-band-formation-in-carbon-nanotubes.gif

Los investigadores de la Universidad de Rice han identificado varias formas en las que un nanotubo experimenta fallas plásticas, ya sea a través del movimiento de dislocación bajo una tensión del 6% (arriba) o mediante la formación de bandas de corte bajo una tensión del 14% (abajo). Ambos mecanismos, que se muestran en las simulaciones cinéticas de Monte Carlo, solo están activos en condiciones extremas, por lo que ninguno parece ser un factor importante en la tensión de los nanotubos. (Crédito: Animación de Nitant Gupta / Yakobson Research Group)

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Los investigadores de la Universidad de Rice encontraron que la carga periódica de fibras de nanotubos conduce a una escalada de estrés que eventualmente puede conducir a fallas en las fibras. (Crédito: Ilustración de Nitant Gupta y Evgeni Penev / Yakobson Research Group)

Ubicada en un campus arbolado de 300 acres en Houston, la Universidad Rice ha sido clasificada constantemente entre las 20 mejores universidades del país por US News & World Report. Rice tiene universidades muy respetadas en arquitectura, negocios, estudios continuos, ingeniería, humanidades, música, ciencias naturales y ciencias sociales, y es la sede del Instituto Baker de Políticas Públicas. Con 4.052 estudiantes universitarios y 3.484 estudiantes graduados, la proporción de estudiantes universitarios por docente de Rice es un poco menos de 6 a 1. El sistema de universidades residenciales crea comunidades unidas y amistades para toda la vida, y esa es solo una de las razones por las que Rice ocupa el primer lugar en muchas de sus interacciones. / La segregación ocupa el primer lugar en calidad de vida según la revista Princeton. Rice también está clasificada como la de mejor valor entre las universidades privadas por Kiplinger Personal Finance.