Utföra toppmoderna datorsimuleringar, ett KAIST-forskarlag identifierade en atomistisk designprincip för att producera högkvalitativa, nästa generations kolfiber.

Kolfibrer är lätta men ändå utmärkta i mekanisk styrka och termisk motståndskraft. Med dessa egenskaper, de kan användas på olika sätt i högteknologiska sektorer, inklusive bilar, flyg, och kärnteknik.

De tillverkas av en polymerprekursor genom en serie spinning, stabilisering, och karboniseringsprocesser. Dock, det finns ett stort hinder för att producera högkvalitativa kolfibrer. Det är, när det finns dåligt definierade områden inom polymermatriserna, de resulterar i oordning och defekter i de producerade kolfibrerna.

Som en lösning på detta problem, det föreslogs att införandet av kolnanorör (CNT) skulle kunna förbättra polymerorientering och kristallisation. Dock, även om inriktningsgeometrin för CNT-polymergränssnittet uppenbarligen påverkar kvaliteten på producerade fibrer, den atomistiska förståelsen av CNT-polymergränssnittet har hittills saknats, hindrar vidare utveckling.

För att klargöra arten av CNT-polymerinteraktioner, Professor Yong-Hoon Kim från Graduate School of Energy, Miljö, Water and Sustainability och hans team använde en flerskalig strategi som kombinerar första-principerna densitet funktionell teori (DFT) beräkningar och kraftfält molekylär dynamik (MD) simuleringar och avslöjade de unika strukturella och elektroniska egenskaperna hos polymer-CNT gränssnitt.

Här, de studerade polyakrylnitril (PAN)-CNT hybridstrukturer som ett representativt fall av polymer-CNT-kompositer. PAN är den vanligaste polymerprekursorn, tar mer än 90 procent av kolfiberproduktionen.

Baserat på deras DFT-beräkningar, teamet visade att de liggande PAN-konfigurationerna ger en större PAN-CNT-bindningsenergi än deras stående motsvarigheter. Dessutom, maximering av den liggande PAN-konfigurationen visade sig tillåta linjära justeringar av PAN på CNT, möjliggör den önskvärda beställda PAN-PAN-packningen med lång räckvidd.

De identifierade också CNT-krökningen som en annan viktig faktor, ger den största PAN-CNT-bindningsenergin i grafengränsen med nollkurvatur. Genomföra storskaliga MD-simuleringar, de visade sedan att grafen nanoband är en lovande kolnanoförstärkningskandidat genom att uttryckligen visa sin starka benägenhet att inducera linjära anpassningar av PAN adsorberade på dem.

Professor Kim sa, "Denna forskning kan vara ett exemplariskt fall där de kvantmekaniska simuleringarna identifierar grundläggande principer för att utveckla avancerade material. Datorsimuleringsstudier kommer att spela en större roll tack vare framstegen inom simuleringsteorin och datorprestanda."