Kolfiber, en styrka inom materialtillverkning i årtionden, är inte så bra som det kan vara, men det finns sätt att förbättra det, enligt forskare från Rice University.

De fann att polymerkedjorna som utgör en vanlig kolfiber är benägna att feljustera under tillverkningen, en defekt forskarna jämfört med en felaktig dragkedja som försvagar produkten.

Den teoretiske fysikern Boris Yakobsons rislaboratorie gav sig i kast med att analysera dessa förbisedda defekter och föreslå hur de kan minskas. Laboratoriets arbete visas den här månaden Avancerade material .

Kolfibrer tillverkades så länge sedan som på 1800-talet, när Thomas Edison gjorde dem som glödtrådar för hans prototyp glödlampor; men seriös industriell utveckling började inte förrän i slutet av 50-talet. De är starka, flexibel, ledande, värmebeständig och kemiskt inert, och har använts i tennisracketar, cykelramar och flygplan, bland många andra produkter. De kan också snurras till garn för lätta och tuffa tyger.

"Även om den är väletablerad och mogen, Kolfiberområdet har i stort sett förblivit inert mot att använda och dra nytta av den intensiva teoretiska utvecklingen inom det "unga" området lågdimensionellt nanokol, " sa Evgeni Penev, en forskare i Yakobsons laboratorium och medförfattare till uppsatsen.

Rice -teamet byggde datormodeller för att härleda förekomsten av defekter i den mest använda kolfiberframställningsprocessen, som innebär uppvärmning av polyakrylnitril (PAN). Vid 1, 500 grader Celsius, värmen bränner bort alla utom de starkt bundna kolatomerna, slutligen förvandla dem till rudimentära grafen -nanoribb som är inriktade på ett sätt som förhindrar att bandet lätt zippas in i grafens välbekanta bikakegitter.

Yakobson sa att idén om denna "misfusion" i fibersyntes kom till honom när han läste en biologiuppsats om D-loopar i RNA-transkription. Det slog honom att sådana defekter skulle vara oundvikliga även i PAN-tillverkade kolfiber. "Det krävdes mycket arbete efter det att fastställa deras plats och mekaniska konsekvenser i fibersammanhang, " han sa.

Molekylär dynamiksimuleringar avslöjade att missfusion bucklade de individuella polymerkedjorna och bildade D-slingor. Dessa slingor blev den primära begränsande faktorn för kolfibers omtalade styrka; de minskade den med upp till en faktor fyra och minskade effektivt de teoretiska uppskattningarna av fiberstyrkan närmare vad som observerats experimentellt, rapporterade forskarna.

"Till mig, den mest spännande delen var att inse att D-loop-defekter möjliggör möjligheten till mycket stora Burgers-vektorer, som är nästan omöjliga i 3D-material och som skulle ha varit en absurd idé att överväga, sa Nitant Gupta, en Rice-student och tidningens huvudförfattare. Burgers vektorer är ett mått på de hållfasthetspåverkande distorsionerna som orsakas av dislokationer i ett kristallgitter.

Till deras förvåning, forskarna upptäckte att när PAN-kedjorna var felinriktade med fiberaxeln, fiberns hållfasthet ökade trots närvaron av D-slingor.

De fastställde också att D-loopar helt och hållet kan förhindras genom att börja med grafen nanoband snarare än PAN. Eftersom D-loopar är de mest troliga ställena för sprickor att börja, enligt simuleringar, att eliminera så många av dem som möjligt skulle gynna fiberns styrka.

"Bortsett från detaljerna, vi gillar att se detta arbete som ett försök att korsbefrukta dessa fält på atomistisk modelleringsnivå, ", sade Penev. "Vi hoppas att detta kommer att ge ett mervärde för dem som arbetar på området och så småningom till en mycket bredare publik."