Новини

Волокна нанотрубок міцні, але як довго під впливом стресів і навантажень?

Волокна нанотрубок міцні, але як довго під впливом стресів і навантажень?

Дослідники Університету Райса виявили, що циклічне навантаження волокон нанотрубок призводить до деформації, що в кінцевому підсумку може призвести до руйнування волокна. Авторство: Ілюстрація Нітанта Гупти та Євгена Пенєва/Дослідницька група Якобсона

Вчені з рису підрахували, як вуглецеві нанотрубки та їх волокна відчувають втому.

Тут, у макросвіті, ми всі час від часу відчуваємо втому. Те саме стосується пучків вуглецевих нанотрубок, незалежно від того, наскільки досконалими є їх окремі компоненти.

Дослідження Університету Райса підрахували, як деформації та напруження впливають як на «ідеальні» нанотрубки, так і на ті, що зібрані в волокна і виявили, що хоча волокна під час циклічних навантажень можуть вийти з ладу з часом, самі трубки можуть залишатися ідеальними. Як довго труби або їх волокна витримують механічне середовище, може визначити їх практичність для застосування.


Моделювання показує вплив осьової напруги на пучок вуглецевих нанотрубок протягом 10 циклів. Дослідники Райса розраховують, як циклічні деформації та напруження впливають на нанотрубки, і описують, як волокна під час циклічних навантажень можуть вийти з ладу з часом. Авторство: Анімація Нітанта Гупти

Це зробило дослідження, яке з’являється в Наукові досягнення, важливі для теоретика матеріалів Райса Бориса Якобсона, аспіранта Нітанта Гупти та асистента професора-дослідника Євгена Пенева з Інженерної школи Джорджа Р. Брауна. Вони кількісно оцінили вплив циклічного стресу на нанотрубки, використовуючи найсучасніші методи моделювання, такі як кінетичний метод Монте-Карло. Вони сподіваються дати дослідникам і промисловості спосіб передбачити, як довго прослужать волокна з нанотрубок або інші збірки за певних умов.

“The залежність від часу силу або витривалість окремої нанотрубки давно вивчали в нашій групі, і зараз ми обмірковуємо її наслідки у випадку циклічного навантаження на трубки та їх волокна або збірки загалом», – сказав Пенєв. «Нещодавно пара експериментів повідомила, що вуглецеві нанотрубки і графен зазнають катастрофічних збоїв від втоми без прогресуючих пошкоджень. Це було досить цікаво і несподівано, щоб знову викликати інтерес, і врешті-решт привело нас до завершення цієї роботи».

Рух дислокацій у вуглецевих нанотрубках

Дослідники Університету Райса визначили кілька способів, яким нанотрубка зазнає пластичного руйнування, або через переміщення дислокації при 6% деформації (тут), або через утворення смуги зсуву при деформації 14%. Обидва механізми, помічені в кінетичних моделях Монте-Карло, активуються лише в екстремальних умовах, тому жоден не є істотним фактором втоми нанотрубок. Авторство: Nitant Gupta/Yakobson Research Group

Ідеальні вуглецеві нанотрубки, які вважаються однією з найміцніших структур у природі, як правило, залишаються такими, якщо деякий драматичний вплив не скористається їх крихкою природою і не розтріщить їх на шматки. Дослідники знайшли через атом-масштабне моделювання, що нанотрубки в умовах навколишнього середовища і навіть при згинанні або згинанні добре справляються з звичайними навантаженнями. Коли точкові дефекти (так Дефекти Стоун-Уельсу) виникають спонтанно, вплив на ці “невтомний” нанотрубки є незначними.

Варто знати  МЗС РФ звинуватило Microsoft у позбавленні України «цифрового суверенітету»

Вони виявили, що ті самі принципи застосовуються до чистого графену.

Формування смуги зсуву у вуглецевих нанотрубках

Дослідники Університету Райса визначили кілька способів, яким нанотрубка зазнає пластичного руйнування, або через рух дислокації при 6% деформації, або в цій анімації через утворення смуги зсуву при 14% деформації. Обидва механізми, помічені в кінетичних моделях Монте-Карло, активуються лише в екстремальних умовах, тому жоден не є істотним фактором втоми нанотрубок. Авторство: Nitant Gupta/Yakobson Research Group

Але коли мільйони нанотрубок об’єднані в ниткоподібні волокна або інші конфігурації, сила Ван-дер-Ваальса, яка зв’язує паралельні нанотрубки один з одним, не запобігає ковзанню. На початку цього року, дослідники продемонстрували, як тертя між трубками призводить до міцнішого інтерфейсу між нанотрубками і відповідає за їх неймовірну міцність. Використовуючи цю модель, вони тепер перевірили, як втома може виникати під час циклічних навантажень і як це в кінцевому підсумку призводить до відмови.

Кожного разу, коли волокно нанотрубки розтягується або напружується, воно здебільшого відновить свою початкову форму, як тільки напруга звільниться. «Здебільшого» є ключовим; залишається трохи залишкового ковзання, яке може збільшуватися з кожним циклом. Це пластичність: деформація з необоротно неповним відновленням.

«Циклічне навантаження волокна з нанотрубок змушує сусідні трубки або вислизати, або наближатися один до одного, залежно від того, в якій частині циклу вони знаходяться», – пояснив Гупта. «Це ковзання не є рівним, що викликає загальне накопичення деформації з кожним циклом. Це називається деформацією, оскільки загальна деформація завжди збільшується в одному напрямку, так само, як храповий механізм рухається в одному напрямку».

Дослідники відзначили, що сучасні волокна повинні бути здатними подолати ризик виходу з ладу, витримуючи неминуче прослизання.

«Як ми знаємо, деякі з найкращих стратегій виробництва волокон з нанотрубок можуть призвести до міцності на розрив вище 10 гігапаскалей (ГПа), що неймовірно для їхнього застосування в повсякденному житті», – сказав Гупта. «З наших тестів ми також виявили, що їх межа витривалості може становити 30%-50%, що означає, що принаймні до 3 ГПа волокна можуть мати практично нескінченний термін служби. Це перспективно для їх використання в якості конструкційних матеріалів низької щільності».

Варто знати  Apple тепер продає окремо сріблясто-чорні Magic Trackpad, Magic Keyboard та Magic Mouse

Довідка: «Втома в збірках невтомних вуглецевих нанотрубок» Нітант Гупта, Євген С. Пенєв та Борис І. Якобсон, 22 грудня 2021 р., Наукові досягнення.
DOI: 10.1126/sciadv.abj6996

Управління наукових досліджень ВПС (FA9550-17-1-0262) і Welch Foundation (C-1590) підтримали дослідження, а комп’ютерні ресурси були надані Національним науковим фондом за підтримки Extreme Science and Engineering Discovery Environment (ACI-). 1548562) та кластер Служби з розподілом часу Night Owls у Райсі (CNS-1338099). Якобсон — професор матеріалознавства та наноінженерії Карла Ф. Хассельмана та професор хімії.

Підписуйтесь на наш телеграм-канал, щоб не пропускати новини!

Підписатися
Сповістити про
guest
0 Коментарі
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі