Kolnanorörsfibrer är inte alls lika starka som nanorören de innehåller, men forskare från Rice University arbetar för att minska klyftan.

En beräkningsmodell av materialteoretikern Boris Yakobson och hans team vid Rice's Brown School of Engineering etablerar ett universellt skalningsförhållande mellan nanorörslängd och friktion mellan dem i en bunt, parametrar som kan användas för att finjustera fiberegenskaper för styrka.

Modellen är ett verktyg för forskare och ingenjörer som utvecklar ledande fibrer för flyg- bil, medicinska och textila tillämpningar som smarta kläder. Kolnanorörsfibrer har ansetts som en möjlig grund för en rymdhiss, ett projekt Yakobson har studerat.

Forskningen är detaljerad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

Som vuxen, individuella kolnanorör är i princip ihoprullade rör av grafen, ett av de starkaste kända materialen. Men när den paketeras, som Rice och andra labb har gjort sedan 2013, de trådlika fibrerna är mycket svagare, ungefär en hundradels styrka hos enskilda rör, enligt forskarna.

"Ett enda nanorör är ungefär det starkaste du kan föreställa dig, på grund av dess mycket starka kol-kolbindningar, " sa Rice biträdande forskningsprofessor Evgeni Penev, en mångårig medlem av Yakobson-gruppen. "Men när du börjar göra saker av nanorör, dessa saker är mycket svagare än du förväntar dig. Vår fråga är, Varför? Vad kan göras för att lösa denna skillnad?"

Modellen visar hur längden på nanorör och friktionen mellan dem är de bästa indikatorerna på den totala fiberstyrkan, och föreslår strategier för att göra dem bättre. En är att helt enkelt använda längre nanorör. En annan är att öka antalet tvärbindningar mellan rören, antingen kemiskt eller genom elektronbestrålning för att skapa defekter som gör kolatomer tillgängliga för bindning.

Den grovkorniga modellen kvantifierar friktionen mellan nanorör, specifikt hur den reglerar glidning när fibrerna är ansträngda och hur väl anslutningar mellan nanorör sannolikt kommer att återhämta sig efter att de gått sönder. Balansen mellan längd och friktion är viktig:Ju längre nanorör, desto färre tvärbindningar behövs, och vice versa.

"Längdsluckor är bara en funktion av hur länge du kan göra nanorören, "Sade Penev. "Dessa luckor är i huvudsak defekter som gör att gränssnitten glider när du börjar dra i en bunt."

Med den inneboende svagheten som given, Penev och huvudförfattaren Nitant Gupta, en risstudent, började titta på hur tvärbindningar påverkar styrkan. "Vi modellerade länkarna som koldimerer eller korta kolvätekedjor, och när vi började dra dem, vi såg att de skulle sträcka sig och gå sönder, sa Penev.

"Det som blev tydligt var att den övergripande styrkan hos detta gränssnitt beror mycket på förmågan hos dessa tvärbindningar att läka, " sa han. "Om de går sönder och återansluter till nästa tillgängliga kol när nanorören glider, det blir en effektiv friktion mellan rören som gör fibern starkare. Det är det ideala fallet."

"Vi visar tvärbindningsdensiteten och längden spelar liknande roller, och vi använder produkten av dessa två värden för att karakterisera styrkan i hela paketet, "Gupta sa, notera att modellen är tillgänglig för nedladdning via tidningens stödinformation.

Penev sa att att fläta nanorör eller länka dem som kedjor sannolikt också skulle stärka fibrerna. Dessa tekniker ligger utanför den nuvarande modellens möjligheter, men värt att studera, han sa.

Yakobson sa att det finns ett stort tekniskt värde i att förstärka material. "Det är en pågående, uppförsbacke i labb runt om i världen, med varje framsteg i GPa (gigapascal, ett mått på draghållfasthet) en stor prestation.

"Vår teori sätter många olika data i ett tydligare perspektiv, betonar att det fortfarande är långt till styrkans topp, samtidigt som de föreslår specifika steg för experimenterande, sa han. Eller så hoppas vi.