Simulação computacional identifica um princípio fundamental para as fibras de carbono da próxima geração

Tutorial Simulacion de Monte Carlo: Identificando las Variables Aleatorias del Modelo (Julho 2019).

Anonim

Realizando simulações de computador de última geração, uma equipe de pesquisa da KAIST identificou um princípio de projeto atomístico para produzir fibras de carbono de próxima geração de alta qualidade.

As fibras de carbono são leves, mas excelentes em resistência mecânica e resistência térmica. Com essas propriedades, elas podem ser diversamente aplicadas em setores de alta tecnologia, incluindo engenharia automotiva, aeroespacial e nuclear.

Eles são produzidos a partir de um precursor de polímero através de uma série de processos de fiação, estabilização e carbonização. No entanto, existe um grande obstáculo à produção de fibras de carbono de alta qualidade. Ou seja, quando existem regiões mal definidas dentro das matrizes poliméricas, elas resultam em desordem e defeitos dentro das fibras de carbono produzidas.

Como solução para este problema, foi proposto que a introdução de nanotubos de carbono (CNT) poderia melhorar a orientação e a cristalização do polímero. No entanto, embora a geometria de alinhamento da interface CNT-polímero aparentemente afete a qualidade das fibras produzidas, a compreensão atomística da interface CNT-polímero tem faltado até o momento, dificultando futuros desenvolvimentos.

Para esclarecer a natureza das interações CNT-polímero, o Professor Yong-Hoon Kim da Escola de Pós-Graduação em Energia, Meio Ambiente, Água e Sustentabilidade e sua equipe empregaram uma abordagem multiescalar que combina cálculos da teoria funcional de densidade de primeiro princípio (DFT) e campos de força. simulações de dinâmica molecular (MD) e revelaram as características estruturais e eletrônicas exclusivas das interfaces de polímero-CNT.

Aqui, eles estudaram estruturas híbridas de poliacrilonitrila (PAN) -CNT como um caso representativo de compósitos de polímero-CNT. O PAN é o precursor de polímero mais comum, absorvendo mais de 90% da produção de fibra de carbono.

Com base em seus cálculos DFT, a equipe mostrou que as configurações de PAN deitado fornecem uma energia de ligação PAN-CNT maior do que suas contrapartes em pé. Além disso, a maximização da configuração do PAN deitado foi mostrada para permitir alinhamentos lineares de PANs no CNT, possibilitando a embalagem de PAN de longo alcance desejável e ordenada.

Eles também identificaram a curvatura CNT como outro fator significativo, dando a maior energia de ligação PAN-CNT no limite de grafeno de curvatura zero. Realizando simulações MD em grande escala, eles demonstraram que as nanofitas de grafeno são um promissor candidato ao nano-reforço de carbono, mostrando explicitamente sua forte propensão a induzir alinhamentos lineares de PANs adsorvidos neles.

Professor Kim disse: "Esta pesquisa pode ser um caso exemplar, onde as simulações de mecânica quântica identificam princípios básicos para o desenvolvimento de materiais avançados. Estudos de simulação computacional terão um papel maior, graças aos avanços na teoria de simulação e desempenho do computador."

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