La fibra de carbono, un pilar de fuerza en la fabricación de materiales durante décadas, no es tan buena como podría ser, pero hay formas de mejorarla, según los científicos de la Universidad de Rice.
Descubrieron que las cadenas de polímeros que forman una fibra de carbono común son propensas a desalinearse durante la fabricación, un defecto que los investigadores compararon con una cremallera defectuosa que debilita el producto.
El laboratorio de Rice del físico teórico Boris Yakobson se propuso analizar estos defectos pasados por alto y sugerir cómo podrían reducirse. El trabajo del laboratorio aparece este mes Materiales avanzados .
Las fibras de carbono fueron fabricadas ya en el siglo XIX, cuando Thomas Edison las hizo como filamentos para sus prototipos de bombillas; pero el desarrollo industrial serio no comenzó hasta finales de los años 50. Son fuertes, flexibles, conductivas, resistentes al calor.resistentes y químicamente inertes, y se han utilizado en raquetas de tenis, cuadros de bicicletas y aviones, entre muchos otros productos. También se pueden hilar en hilo para obtener telas ligeras y resistentes.
"Aunque bien establecido y maduro, el campo de las fibras de carbono se ha mantenido inerte en gran medida para usar y beneficiarse del desarrollo teórico intensivo en el campo 'joven' del nanocarbono de baja dimensión", dijo Evgeni Penev, científico investigador en Yakobsonlaboratorio y coautor del artículo.
El equipo de Rice construyó modelos de computadora para deducir la aparición de defectos en el proceso de fabricación de fibra de carbono más utilizado, que consiste en calentar el poliacrilonitrilo PAN. A 1,500 grados Celsius, el calor quema todos los átomos de carbono, excepto los fuertemente unidos, en última instanciaconvirtiéndolas en nanofibras de grafeno rudimentarias alineadas de una manera que evite que las cintas se abrochen fácilmente en la familiar red de panal del grafeno.
Yakobson dijo que la idea de esta "confusión" en la síntesis de fibra se le ocurrió mientras leía un artículo de biología sobre los bucles D en la transcripción de ARN. Se le ocurrió que tales defectos también serían inevitables en la fibra de carbono fabricada por PAN ".Después de eso, tomó mucho trabajo determinar su lugar y las consecuencias mecánicas en el contexto de la fibra ", dijo.
Las simulaciones de dinámica molecular revelaron que la fusión errónea abrochó las cadenas de polímeros individuales y formaron bucles D. Estos bucles se convirtieron en el principal factor limitante de la resistencia alargada de la fibra de carbono; la redujeron hasta en un factor de cuatro y disminuyeron efectivamente las estimaciones teóricas de la resistencia de la fibramás cerca de lo observado experimentalmente, informaron los investigadores.
"Para mí, la parte más intrigante fue darse cuenta de que los defectos del bucle D permiten la posibilidad de vectores de hamburguesas muy grandes, que son casi imposibles en los materiales tridimensionales y que habría sido una idea absurda incluso considerar", dijo Nitant Gupta, un estudiante graduado de Rice y el autor principal del artículo. Los vectores de hamburguesas son una medida de las distorsiones que influyen en la fuerza causadas por las dislocaciones en una red cristalina.
Para su sorpresa, los investigadores descubrieron que cuando las cadenas PAN se desalinearon con el eje de la fibra, la resistencia de la fibra aumentó a pesar de la presencia de bucles D.
También determinaron que los bucles D podrían prevenirse por completo comenzando con nanofibras de grafeno en lugar de PAN. Debido a que los bucles D son los lugares más probables para que comiencen las grietas, de acuerdo con las simulaciones, eliminar tantas de ellas como sea posible beneficiaría las fibrasfuerza.
"Aparte de los detalles, nos gusta ver este trabajo como un intento de fertilizar en forma cruzada estos campos a un nivel de modelado atomístico", dijo Penev. "Esperamos que esto brinde un valor agregado a quienes trabajan en el campo y eventualmenteuna audiencia mucho más amplia "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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