Un'importante svolta nella ricerca sulle fibre di nanotubi di carbonio ultraresistenti in Cina

Di recente, il team del professor Wei Fei del Dipartimento di Ingegneria Chimica della Tsinghua University ha collaborato con il prof. Li Xide della School of Aeronautics and Astronautics della Tsinghua University per realizzare una svolta importante nel campo delle fibre di nanotubi di carbonio super-lunghi. È stato segnalato per la prima volta al mondo che la resistenza teorica dei singoli nanotubi di carbonio era estremamente lunga. I fasci di nanotubi di carbonio hanno una resistenza alla trazione superiore a quella di tutti gli altri materiali in fibra attualmente disponibili.

I nanotubi di carbonio sono considerati uno dei materiali più potenti attualmente disponibili, con una resistenza alla trazione superiore a 100 GPa e una resistenza pari a oltre 10 volte quella delle fibre di carbonio. Tuttavia, quando un singolo nanotubo di carbonio con eccellenti proprietà meccaniche viene trasformato in un materiale macroscopico, le sue prestazioni sono spesso ben al di sotto del valore teorico. Al contrario, i nanotubi di carbonio ultra-lunghi hanno una lunghezza di centimetri o addirittura decimetri e hanno una struttura perfetta, con orientamento uniforme e proprietà meccaniche prossime al limite teorico, e presentano grandi vantaggi nella preparazione di fibre super resistenti.

Utilizzando metodi di focalizzazione del flusso di gas in situ, il team di ricerca è in grado di controllare la preparazione di un tubo di nanotubi di carbonio super-lungo e continuo lungo un centimetro, con una composizione definita, una struttura perfetta e una disposizione parallela, evitando abilmente il fattore limitante. Preparando fasci di nanotubi di carbonio ultralunghi contenenti un diverso numero di unità e analizzando quantitativamente gli effetti della loro composizione sulle proprietà meccaniche dei fasci di nanotubi di carbonio ultralunghi, sono stati stabiliti modelli fisico/matematici.

Lo studio ha scoperto che la distribuzione iniziale dello stress dei nanotubi di carbonio nel fascio tubiero non è uniforme, per cui i nanotubi di carbonio nel fascio tubiero non possono essere sottoposti a forze simultanee e uniformi, il che a sua volta porta a una diminuzione della resistenza complessiva, ovvero all'“effetto Daniel”. Sulla base di ciò, il team di ricerca ha proposto una strategia di "rilassamento sincrono", che rilascia lo stress iniziale dei nanotubi di carbonio nel fascio di tubi mediante nanomanipolazione, in modo che si trovi in ​​un intervallo ristretto di distribuzione e quindi la resistenza alla trazione del fascio di nanotubi di carbonio Elevata a oltre 80 GPa, vicina alla resistenza alla trazione dei singoli nanotubi di carbonio.

Questo lavoro rivela le brillanti prospettive dell'utilizzo di nanotubi di carbonio ultralunghi per la produzione di superfibre e, allo stesso tempo, indica le direzioni e i metodi per lo sviluppo di nuove superfibre.