Nanotüp Fiber Arızası

Rice Üniversitesi araştırmacıları, nanotüp liflerinin döngüsel yüklenmesinin, sonunda lifin arızalanmasına yol açabilecek gerinim kilitlenmesine yol açtığını buldu. Kredi: Nitant Gupta ve Evgeni Penev/Yakobson Araştırma Grubu tarafından İllüstrasyon

Pirinç bilim adamları, karbon nanotüplerin ve liflerinin nasıl yorulduğunu hesaplıyor.

Burada, makro dünyada hepimiz ara sıra yorgunluk hissederiz. Bireysel bileşenleri ne kadar mükemmel olursa olsun, karbon nanotüp demetleri için aynıdır.

Rice Üniversitesi’nde yapılan bir araştırma, gerilimlerin ve gerilimlerin hem “mükemmel” nanotüpleri hem de liflere monte edilenleri nasıl etkilediğini hesapladı ve liflerin döngüsel yükler altında zamanla bozulabileceğini, ancak tüplerin kendilerinin mükemmel kalabileceğini buldu. Tüplerin veya liflerinin mekanik ortamlarını ne kadar süre korudukları, uygulamalar için pratikliklerini belirleyebilir.


Bir simülasyon, 10 döngü boyunca bir karbon nanotüp demeti üzerindeki eksenel stresin etkisini gösterir. Pirinç araştırmacıları, döngüsel gerinme ve stresin nanotüpleri nasıl etkilediğini hesaplar ve döngüsel yükler altındaki liflerin zamanla nasıl bozulabileceğini açıklar. Kredi: Nitant Gupta’dan Animasyon

Bu, ortaya çıkan çalışmayı yaptı Bilim Gelişmeleri, Rice malzeme teorisyeni Boris Yakobson, yüksek lisans öğrencisi Nitant Gupta ve Rice’ın George R. Brown Mühendislik Okulu’ndan yardımcı araştırma profesörü Evgeni Penev için önemli. Kinetik Monte Carlo yöntemi gibi son teknoloji simülasyon tekniklerini kullanarak döngüsel stresin nanotüpler üzerindeki etkilerini ölçtüler. Araştırmacılara ve endüstriye, belirli koşullar altında nanotüp liflerinin veya diğer düzeneklerin ne kadar uzun süre dayanmasının beklenebileceğini tahmin etmenin bir yolunu vermeyi umuyorlar.

Penev, “Bir nanotüpün gücünün veya dayanıklılığının zamana bağımlılığı bizim grubumuzda uzun zaman önce araştırıldı ve şimdi tüplerin ve liflerinin veya genel olarak düzeneklerin döngüsel yüklenmesi durumunda bunun etkilerini düşünüyoruz” dedi. “Son zamanlarda, birkaç deney karbon nanotüplerin ve grafen ilerleyici hasar olmadan yorgunluktan feci başarısızlığa uğrarlar. Bu, ilgiyi yeniden alevlendirecek kadar ilginç ve şaşırtıcıydı ve nihayetinde bizi bu çalışmayı tamamlamaya yöneltti.”

Karbon Nanotüplerde Dislokasyon Hareketi

Rice Üniversitesi araştırmacıları, bir nanotüpün plastik arıza yaşamasının çeşitli yollarını, %6 gerinim altında (burada) dislokasyon hareketi veya %14 gerilim altında kesme bandı oluşumu yoluyla belirlediler. Kinetik Monte Carlo simülasyonlarında görülen her iki mekanizma da yalnızca aşırı koşullar altında etkinleşir, bu nedenle hiçbiri nanotüplerin yorulmasında önemli bir faktör gibi görünmemektedir. Kredi: Nitant Gupta/Yakobson Araştırma Grubu

Doğadaki en güçlü yapılardan biri olarak kabul edilen mükemmel karbon nanotüpler, dramatik bir etki kırılgan doğalarından yararlanmadıkça ve onları parçalara ayırmadıkça, öyle kalma eğilimindedir. Araştırmacılar aracılığıyla bulundu atom– Ortam koşulları altında ve büküldüğünde veya büküldüğünde bile nanotüplerin rutin stresi iyi idare eden ölçekli simülasyonlar. Nokta kusurları (diğer adıyla Stone-Wales kusurları) kendiliğinden ortaya çıktığında, bu “yorulamaz” nanotüpler üzerindeki etkiler ihmal edilebilir düzeydedir.

Aynı ilkelerin kusursuz grafen için de geçerli olduğunu buldular.

Karbon Nanotüplerde Kayma Bandı Oluşumu

Rice Üniversitesi araştırmacıları, bir nanotüpün plastik arıza yaşamasının çeşitli yollarını, ya %6 gerinme altında dislokasyon hareketi yoluyla ya da bu animasyonda %14 gerinme altında kesme bandı oluşumu yoluyla belirlediler. Kinetik Monte Carlo simülasyonlarında görülen her iki mekanizma da yalnızca aşırı koşullar altında etkinleşir, bu nedenle hiçbiri nanotüplerin yorulmasında önemli bir faktör gibi görünmemektedir. Kredi: Nitant Gupta/Yakobson Araştırma Grubu

Ancak milyonlarca nanotüp iplik benzeri lifler veya diğer konfigürasyonlar halinde bir araya getirildiğinde, paralel nanotüpleri birbirine bağlayan van der Waals kuvveti kaymayı engellemez. Bu senenin başlarında, Araştırmacılar, tüpler arasındaki sürtünmenin nanotüpler arasında nasıl daha güçlü arayüzlere yol açtığını ve bunların inanılmaz güçlerinden nasıl sorumlu olduğunu göstermişti. Bu modeli kullanarak, artık döngüsel yükler altında yorgunluğun nasıl oluştuğunu ve bunun nihayetinde nasıl arızaya yol açtığını test ettiler.

Bir nanotüp lifi her gerildiğinde veya gerildiğinde, gerilim serbest bırakıldığında çoğunlukla orijinal formunu geri kazanacaktır. “Çoğunlukla” anahtardır; bir miktar artık kayma kalır ve bu her döngüde artabilir. Bu plastisitedir: geri dönüşü olmayan tam olmayan iyileşme ile deformasyon.

Gupta, “Nanotüp fiberinin döngüsel yüklenmesi, döngünün hangi kısmında olduklarına bağlı olarak komşu tüplerin ya uzaklaşmasına ya da birbirine doğru kaymasına neden oluyor” diye açıkladı. “Bu kayma eşit değil, her döngüde genel bir gerinim birikmesine neden oluyor. Bir mandalın tek bir yönde hareket etmesi gibi, genel gerilim her zaman bir yönde arttığından buna gerinim cırcırlaması denir.”

Araştırmacılar, son teknoloji elyafların, kaçınılmaz kaymayı aşarak başarısızlık riskinin üstesinden gelebilmesi gerektiğini kaydetti.

Gupta, “Bildiğimiz gibi, en iyi nanotüp elyaf üretim stratejilerinden bazıları, günlük yaşamdaki uygulamaları için inanılmaz olan 10 gigapaskaldan (GPa) daha yüksek bir çekme mukavemetine yol açabilir” dedi. “Ayrıca testlerimizden, dayanıklılık limitlerinin %30-50 olabileceğini bulduk, bu da en az 3 GPa’ya kadar fiberlerin pratikte sonsuz ömre sahip olabileceği anlamına geliyor. Bu, düşük yoğunluklu yapısal malzemeler olarak kullanımları için umut verici.”

Referans: Nitant Gupta, Evgeni S. Penev ve Boris I. Yakobson, 22 Aralık 2021, “Yorulamaz karbon nanotüp düzeneklerinde yorulma”, Bilim Gelişmeleri.
DOI: 10.1126/sciadv.abj6996

Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi (FA9550-17-1-0262) ve Welch Vakfı (C-1590) araştırmayı destekledi ve bilgisayar kaynakları Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen Aşırı Bilim ve Mühendislik Keşif Ortamı (ACI-) tarafından sağlandı. 1548562) ve Rice’daki Night Owls Time-Sharing Service kümesi (CNS-1338099). Yakobson, Karl F. Hasselmann Malzeme Bilimi ve NanoMühendislik Profesörü ve Kimya profesörüdür.





#Nanotüp #Lifleri #Güçlü #Durur #Ama #Stresler #Gerilimler #Altında #Kadar #Sürer