Sợi ống nano đứng vững – Nhưng chịu áp lực và căng thẳng trong bao lâu?

Các nhà khoa học lúa gạo tính toán xem các ống nano carbon và các sợi của chúng bị mỏi như thế nào.

Ở trên này trong thế giới vĩ mô, tất cả chúng ta bây giờ và sau đó đều cảm thấy mệt mỏi. Điều này cũng tương tự đối với các bó ống nano carbon, bất kể các thành phần riêng lẻ của chúng hoàn hảo đến mức nào.

Một nghiên cứu của Đại học Rice tính toán cách các biến dạng và ứng suất ảnh hưởng đến cả các ống nano “hoàn hảo” và những ống được lắp ráp thành sợi và phát hiện ra rằng trong khi các sợi chịu tải tuần hoàn có thể bị hỏng theo thời gian, bản thân các ống vẫn có thể vẫn hoàn hảo. Thời gian mà các ống hoặc sợi của chúng duy trì trong môi trường cơ học có thể xác định tính thực tiễn của chúng đối với các ứng dụng.

Một mô phỏng cho thấy ảnh hưởng của ứng suất dọc trục lên bó ống nano cacbon trong 10 chu kỳ. Các nhà nghiên cứu lúa gạo tính toán độ căng và ứng suất theo chu kỳ ảnh hưởng như thế nào đến các ống nano và mô tả cách các sợi chịu tải trọng chu kỳ có thể bị hỏng theo thời gian. Tín dụng: Hoạt hình của Nitant Gupta

Điều đó khiến nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Science Advances , có ý nghĩa quan trọng đối với nhà lý thuyết vật liệu Rice, Boris Yakobson, nghiên cứu sinh Nitant Gupta và trợ lý giáo sư nghiên cứu Evgeni Penev của Trường Kỹ thuật George R. Brown của Rice. Họ đã định lượng ảnh hưởng của ứng suất tuần hoàn lên các ống nano bằng cách sử dụng các kỹ thuật mô phỏng hiện đại như phương pháp Monte Carlo động học. Họ hy vọng sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp một phương pháp dự đoán thời gian tồn tại của các sợi ống nano hoặc các tổ hợp khác trong các điều kiện nhất định.

“Sự phụ thuộc vào thời gian của sức mạnh hoặc độ bền của từng ống nano đã được nghiên cứu từ lâu trong nhóm của chúng tôi và bây giờ chúng tôi đang xem xét các tác động của nó trong trường hợp tải tuần hoàn của các ống và các sợi của chúng, hoặc các tổ hợp nói chung,” Penev nói. “Gần đây, một vài thí nghiệm đã báo cáo rằng các ống nano carbon và graphene trải qua sự thất bại thảm hại do mệt mỏi mà không bị hư hại nặng dần. Điều này đủ tò mò và đáng ngạc nhiên để kích thích lại sự quan tâm và cuối cùng đã khiến chúng tôi hoàn thành công việc này. “

Các ống nano carbon hoàn hảo, được coi là một trong những cấu trúc mạnh nhất trong tự nhiên, có xu hướng giữ nguyên trạng thái như vậy trừ khi một số tác động mạnh lợi dụng tính chất giòn của chúng và làm nứt chúng thành nhiều mảnh. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra thông qua các mô phỏng ở cấp độ nguyên tử rằng trong điều kiện môi trường xung quanh và ngay cả khi bị cong hoặc vênh, các ống nano xử lý tốt ứng suất thường xuyên. Khi các khuyết tật điểm (hay còn gọi là khuyết tật Stone-Wales ) xuất hiện một cách tự nhiên, các tác động lên các ống nano “không bền ” này là không đáng kể.

Họ phát hiện ra các nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho graphene không tỳ vết.

Nhưng khi hàng triệu ống nano được bó lại thành các sợi giống như sợi chỉ hoặc các cấu hình khác, lực van der Waals liên kết các ống nano song song với nhau không ngăn được sự trượt. Đầu năm nay , các nhà nghiên cứu đã chứng minh cách ma sát giữa các ống dẫn đến giao diện bền hơn giữa các ống nano và chịu trách nhiệm về sức mạnh đáng kinh ngạc của chúng. Sử dụng mô hình này, giờ đây họ đã kiểm tra mức độ mỏi có thể thiết lập khi chịu tải theo chu kỳ và điều đó cuối cùng dẫn đến hỏng hóc như thế nào.

Mỗi khi một sợi ống nano bị kéo căng hoặc căng, phần lớn nó sẽ phục hồi hình dạng ban đầu sau khi lực căng được giải phóng. “Chủ yếu” là chìa khóa; vẫn còn một ít độ trượt dư, và có thể tăng lên theo từng chu kỳ. Đây là tính dẻo: biến dạng với sự phục hồi không hoàn toàn không thể đảo ngược.

Gupta giải thích: “Việc tải theo chu kỳ của sợi ống nano làm cho các ống lân cận trượt ra xa hoặc về phía nhau, tùy thuộc vào phần nào của chu trình mà chúng đang ở trong đó. “Sự trượt này không bằng nhau, gây ra sự tích tụ biến dạng tổng thể theo từng chu kỳ. Điều này được gọi là căng bánh cóc, vì sức căng tổng thể luôn tăng theo một hướng giống như bánh cóc di chuyển theo một hướng. “

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng các loại sợi tân tiến sẽ có thể khắc phục nguy cơ hỏng hóc bằng cách tồn tại lâu hơn độ trượt không thể tránh khỏi.

“Như chúng ta đã biết, một số chiến lược sản xuất sợi ống nano tốt nhất có thể dẫn đến độ bền kéo cao hơn 10 gigapascal (GPa), điều này thật đáng kinh ngạc đối với ứng dụng của chúng trong cuộc sống hàng ngày,” Gupta nói. “Chúng tôi cũng phát hiện ra từ các thử nghiệm của mình rằng giới hạn độ bền của chúng có thể là 30% -50%, có nghĩa là ít nhất lên đến 3 GPa các sợi có thể có tuổi thọ thực tế là vô hạn. Điều đó hứa hẹn cho việc sử dụng chúng làm vật liệu cấu trúc mật độ thấp. ”

Tài liệu tham khảo: “Sự mệt mỏi trong các cụm ống nano cacbon không bền” của Nitant Gupta, Evgeni S. Penev và Boris I. Yakobson, 22 tháng 12 năm 2021, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abj6996

Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân (FA9550-17-1-0262) và Tổ chức Welch (C-1590) đã hỗ trợ nghiên cứu, và các nguồn máy tính được cung cấp bởi Môi trường Khám phá Kỹ thuật và Khoa học Cực do Quỹ Khoa học Quốc gia hỗ trợ (ACI- 1548562) và cụm Dịch vụ Chia sẻ Thời gian Cú đêm tại Rice (CNS-1338099). Yakobson là Giáo sư Karl F. Hasselmann về Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Nano và Giáo sư Hóa học.

Theo Scitechdaily