Một bước đột phá lớn trong nghiên cứu sợi ống nano carbon siêu bền ở Trung Quốc
Gần đây, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Wei Fei thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học của Đại học Thanh Hoa đã hợp tác với Giáo sư Li Xide thuộc Khoa Hàng không và Du hành vũ trụ của Đại học Thanh Hoa để tạo ra bước đột phá lớn trong lĩnh vực sợi ống nano carbon siêu dài. Lần đầu tiên trên thế giới, người ta báo cáo rằng độ bền lý thuyết của ống nano carbon đơn lẻ cực kỳ dài. Các bó ống nano carbon có độ bền kéo vượt trội hơn tất cả các vật liệu sợi khác hiện có.
Ống nano carbon được coi là một trong những vật liệu mạnh nhất hiện nay, với độ bền kéo hơn 100 GPa và độ bền gấp 10 lần sợi carbon. Tuy nhiên, khi một ống nano carbon đơn lẻ có tính chất cơ học tuyệt vời được chế tạo thành vật liệu vĩ mô, hiệu suất của nó thường thấp hơn nhiều so với giá trị lý thuyết. Ngược lại, các ống nano carbon siêu dài có chiều dài tính bằng centimet hoặc thậm chí là decimet và có cấu trúc hoàn hảo, với hướng đồng nhất và các tính chất cơ học gần với giới hạn lý thuyết, có những ưu điểm lớn trong việc chế tạo các sợi siêu bền.
Bằng cách sử dụng phương pháp tập trung dòng khí tại chỗ, nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát việc chế tạo ống nano carbon siêu dài liên tục dài 1 cm có thành phần xác định, cấu trúc hoàn hảo và sắp xếp song song, đồng thời khéo léo tránh được yếu tố hạn chế. Bằng cách chuẩn bị các bó ống nano carbon siêu dài chứa nhiều đơn vị khác nhau và phân tích định lượng tác động của thành phần của chúng lên các tính chất cơ học của các bó ống nano carbon siêu dài, các mô hình vật lý/toán học đã được thiết lập.
Nghiên cứu phát hiện ra rằng sự phân bố ứng suất ban đầu của các ống nano cacbon trong bó ống không đồng đều, do đó các ống nano cacbon trong bó ống không thể chịu tác dụng của các lực đồng thời và đồng đều, điều này dẫn đến giảm độ bền tổng thể, tức là “hiệu ứng Daniel”. Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một chiến lược “thư giãn đồng bộ”, giải phóng ứng suất ban đầu của các ống nano carbon trong bó ống bằng cách thao tác nano, sao cho nó nằm trong phạm vi phân bố hẹp và do đó cường độ kéo của chùm ống nano carbon Được nâng lên trên 80 GPa, gần bằng độ bền kéo của ống nano carbon đơn.
Nghiên cứu này cho thấy triển vọng tươi sáng của việc sử dụng các ống nano carbon siêu dài để sản xuất siêu sợi, đồng thời chỉ ra hướng đi và phương pháp phát triển các siêu sợi mới.