理解为什么碳纳米管束在扭曲时会变得机械性能减弱

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们报告称，碳纳米管（CNTs）在扭转过程中的局部重排可能是导致CNT束和纱线机械性能不佳的原因。他们通过分子动力学模拟发现，当CNT束被扭转时，会出现所谓的位错线缺陷，这会改变整个系统的拉伸性能。他们的发现有助于我们理解和解决CNT束和纱线在许多应用领域面临的当前挑战。

除了作为生命的基本构建块外，碳还因其作为工程材料的多功能性而备受积极研究。特别是碳纳米管（CNTs）在航空航天、半导体和医疗应用中展示了巨大的潜力，这主要得益于它们的高强度和低重量。

由于CNTs通常是短小的，因此需要将其编织成束或纱线以扩大其实用用途。然而，科学家们注意到，当CNT束（CNTBs）和CNT纱线在扭转时，它们的拉伸强度远低于单个CNTs——这种拉伸性能的下降甚至可以达到几个数量级！最糟糕的是，尽管进行了大量研究，但这一现象背后的原因仍然不清楚。

在2024年5月30日发表在《Carbon》杂志上的一项最新研究中，由日本东京工业大学副教授雷小文领导的研究团队致力于解开这一谜团。他们结合分子动力学（MD）模拟和Delaunay三角剖分算法，揭示了CNTBs在扭转过程中内部可能发生的事情。

研究人员设计了几个CTNB模型和MD模拟设置，考虑了不同数量的CNT层、CNT长度、扭转角和扭转力分布。在运行模拟后，他们仔细分析了CNTBs在扭转前后的拉伸反应。

通过观察扭转CNTBs的横截面，研究团队揭示了CNTBs和CNT纱线机械性能不佳的原因可能是所谓的“楔形位错”。为了理解这些，首先需要知道CNTs在成束时会自然排列成六边形图案。位错是指这一图案中的缺陷，其中要么是从六个CNTs中缺少一个（正位错），要么是插入一个额外的CNT以形成七个CNTs的排列（负位错）。

根据模拟结果，研究人员发现当CNTBs被扭转时，由于局部CNT重排而产生了位错。这些位错在具有更多层的CNTBs中形成了长而弯曲的位错线。最重要的是，这些线条似乎对CNTBs在机械拉伸下的行为有直接影响。“我们观察到，位错线的存在导致了CNTBs的杨氏模量降低，且位错线越长，杨氏模量越低。因此，在扭转的CNTBs中出现位错线可能是CNT纱线机械性能下降的关键原因之一，”雷小文解释道。

综上所述，这项研究的发现有助于解释CNTBs目前存在的一些局限性，并暗示了通过扭转实现高性能CNT纱线的潜在解决方案。“利用对材料中晶格缺陷引起的微观内部堆叠结构变化与机械性能之间关系的理解所获得的见解，可以为与计算材料科学相关的新学术领域开辟先河，”雷小文强调道。“我们的最终目标是为实现未来智能、可持续和繁荣的社会做出贡献。”