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科學(xué)家預(yù)測(cè)材料界的強(qiáng)力支柱——碳纖維還可以表現(xiàn)出更好的性能。他們發(fā)現(xiàn)，在制造過(guò)程中碳纖維聚合鏈有對(duì)準(zhǔn)不良的傾向，類似于拉鏈在咬合過(guò)程中的錯(cuò)位，是造成其性能缺陷的主要原因。

萊斯大學(xué)理論物理學(xué)家Boris Yakobson的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始著手分析這些被忽視的缺陷，并提出了如何消除這些缺陷的猜想。他們的成果將于本月發(fā)表在期刊Advanced Materials上。

早在19世紀(jì)，托馬斯·愛(ài)迪生就曾經(jīng)將碳纖維做成細(xì)絲作為他燈泡原型的電熱絲。然而，正式的工業(yè)發(fā)展直到19世紀(jì)50年代末才開(kāi)始。碳纖維高強(qiáng)、柔韌、導(dǎo)電、耐熱并且具有化學(xué)反應(yīng)不活潑的特性，已經(jīng)應(yīng)用于網(wǎng)球拍、自行車(chē)架、飛機(jī)以及許多其他產(chǎn)品的制造中。此外，碳纖維還可以紡絲編織成輕體量、強(qiáng)韌的織物。

Evgeni Penev，Yakobson實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家，同時(shí)也是論文的共同作者，說(shuō)：“盡管碳纖維的相關(guān)研究已經(jīng)得到了很好的完善，并且相對(duì)成熟，但在低維納米碳這個(gè)新領(lǐng)域，很多迅速發(fā)展的新理論仍然沒(méi)能很好地開(kāi)發(fā)和利用�！�

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)建模來(lái)推斷使用最多的碳纖維在制造過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生，包括加熱聚丙烯腈（PAN）的過(guò)程。在1500℃下，除了強(qiáng)鍵合的碳原子，其他物質(zhì)都會(huì)被燒掉，最終將它們變成基本的石墨烯納米帶，并且其特殊的排列方式可以防止納米帶輕易地嵌入到石墨烯典型的蜂窩晶格中。

材料科學(xué)和納米工程與化學(xué)教授Yakobson說(shuō)，他在閱讀關(guān)于D環(huán)的RNA轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)論文時(shí)，產(chǎn)生了這種纖維合成中的“錯(cuò)誤輸入”的想法。他認(rèn)為這種缺陷在PAN制作碳纖維的過(guò)程中也是不可避免的。 “在這之后我們進(jìn)行了很多工作來(lái)確定它們?cè)诶w維環(huán)境中的位置和對(duì)機(jī)械性能的影響�！盰akobson說(shuō)。

分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，錯(cuò)配可以打開(kāi)各個(gè)聚合物鏈并重新形成D環(huán)。這些環(huán)成為限制碳纖維性能的主要因素；Yakobson和他的團(tuán)隊(duì)將其減少了四分之一，并有效地將理論估計(jì)的纖維強(qiáng)度降低至更接近實(shí)驗(yàn)觀察到的強(qiáng)度。

論文的第一作者，研究生Nitant Gupta說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，最有趣的部分是意識(shí)到D環(huán)缺陷有可能使得Burgers矢量變得非常大，這在三維材料中幾乎是不可能的，甚至是一個(gè)荒謬的想法�！盉urgers矢量用來(lái)衡量晶格位錯(cuò)引起的強(qiáng)度扭曲。

令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PAN鏈與纖維軸不對(duì)準(zhǔn)時(shí)，盡管存在D環(huán)，但纖維的強(qiáng)度仍舊有增加。

研究人員還確定通過(guò)石墨烯納米帶而不是PAN，就可以避免D環(huán)的產(chǎn)生。根據(jù)模擬，D環(huán)是最可能引發(fā)裂紋的地方，因此盡可能多地消除它們將有益于纖維強(qiáng)度的提升。

Penev說(shuō)：“除了細(xì)節(jié)上的工作，我們希望這項(xiàng)工作能在原子論建模層面上對(duì)相關(guān)領(lǐng)域都有所幫助。我們希望這將為那些在生產(chǎn)一線工作的人提供更多的價(jià)值，最終使更廣泛的大眾受益。