Här uppe i makrovärlden känner vi alla trötthet då och då. Det är samma sak för buntar av kolnanorör, oavsett hur perfekta deras enskilda komponenter är.

En studie från Rice University beräknar hur påfrestningar och påfrestningar påverkar både "perfekta" nanorör och de som är sammansatta till fibrer och fann att medan fibrer under cyklisk belastning kan misslyckas med tiden, kan själva rören förbli perfekta. Hur länge rören eller deras fibrer upprätthåller sin mekaniska miljö kan avgöra deras praktiska tillämpningar.

Det gjorde studien, som visas i Science Advances , viktig för Rice materialteoretiker Boris Yakobson, doktorand Nitant Gupta och biträdande forskningsprofessor Evgeni Penev vid Rices George R. Brown School of Engineering. De kvantifierade effekterna av cyklisk stress på nanorör med hjälp av toppmoderna simuleringstekniker som en kinetisk Monte Carlo-metod. De hoppas kunna ge forskare och industri ett sätt att förutsäga hur länge nanorörsfibrer eller andra sammansättningar kan förväntas hålla under givna förhållanden.

"Tidsberoendet av ett individuellt nanorörs styrka eller uthållighet studerades för länge sedan i vår grupp, och nu överväger vi dess konsekvenser i fallet med cyklisk belastning av rören och deras fibrer, eller sammansättningar i allmänhet," sa Penev. "Nyligen rapporterade ett par experiment att kolnanorör och grafen genomgår katastrofala misslyckanden på grund av trötthet utan progressiv skada. Detta var märkligt och överraskande nog att återuppväcka intresset och till slut ledde oss till att slutföra detta arbete."

Perfekta kolnanorör, som anses vara en av de starkaste strukturerna i naturen, tenderar att förbli så om inte någon dramatisk påverkan utnyttjar deras spröda natur och spricker dem i bitar. Forskarna fann genom simuleringar i atomskala att under omgivande förhållanden och även när de är böjda eller bucklade, hanterar nanorör rutinmässig stress väl. När punktdefekter (aka Stone-Wales-defekter) uppstår spontant är effekterna på dessa "outtröttliga" nanorör försumbara.

De fann att samma principer gäller för obefläckad grafen.

Men när miljontals nanorör buntas ihop i trådliknande fibrer eller andra konfigurationer, förhindrar inte den van der Waals-kraften som binder de parallella nanorören till varandra att glida. Tidigare i år hade forskarna visat hur friktion mellan rör leder till starkare gränssnitt mellan nanorör och är ansvarig för deras otroliga styrka. Med den här modellen testade de nu hur trötthet kan träda in under cykliska belastningar och hur det i slutändan leder till fel.

Varje gång en nanorörsfiber sträcks eller spänns kommer den för det mesta att återställa sin ursprungliga form när spänningen släpps. "Mestadels" är nyckeln; lite kvarvarande glid kvar, och det kan öka med varje cykel. Detta är plasticitet:Deformation med irreversibelt ofullständig återhämtning.

"Den cykliska belastningen av nanorörsfiber gör att närliggande rör antingen glider bort eller mot varandra, beroende på vilken del av cykeln de befinner sig i," förklarade Gupta. "Denna glidning är inte lika, vilket orsakar en övergripande töjningsackumulering med varje cykel. Detta kallas töjningsspärrning, eftersom den totala töjningen alltid ökar i en riktning precis som en spärranordning rör sig i en enda riktning."

Forskarna noterade att toppmoderna fibrer borde kunna övervinna risken för misslyckande genom att överleva den oundvikliga glidningen.

"Som vi vet kan några av de bästa nanorörsfiberproduktionsstrategierna leda till en draghållfasthet högre än 10 gigapascal (GPa), vilket är otroligt för deras tillämpning i vardagen," sa Gupta. "Vi fann också från våra tester att deras uthållighetsgräns kan vara 30%-50%, vilket betyder att åtminstone upp till 3 GPa kan fibrerna ha praktiskt taget oändlig livslängd. Det är lovande för deras användning som konstruktionsmaterial med låg densitet." + Utforska vidare

Lite friktion räcker långt mot starkare nanorörsfibrer