碳除了是生命的基本组成部分之外，还因其作为工程材料的多功能性而受到积极研究。尤其是碳纳米管 (CNT)，已在航空航天、半导体和医疗应用方面展现出巨大潜力，这主要归功于其高强度和低重量。
由于碳纳米管通常较短，因此需要将其编织成束或纱线以扩大其实际用途。然而，科学家们已经注意到，碳纳米管束(CNTB)和碳纳米管纱线在加捻时都表现出比单个碳纳米管低得多的拉伸强度——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，尽管进行了研究，但这种现象背后的原因仍不清楚。
在 2024 年 5 月 30 日发表在Carbon杂志上的一项最新研究中，日本东京工业大学副教授雷晓文领导的研究小组试图解决这个难题。通过结合分子动力学(MD) 模拟和 Delaunay 三角剖分算法，他们揭示了 CNTB 扭曲时内部可能发生的情况。
研究人员设计了几种 CTNB 模型和装置用于 MD 模拟，考虑了不同的 CNT 层数、CNT 长度、扭转角度和扭转力分布。运行模拟后，他们仔细分析了扭转前后 CNTB 对拉伸的反应。
通过观察扭曲的 CNTB 的横截面，研究小组发现，CNTB 和 CNT 纱线的机械性能较差可能是由所谓的“楔形向错”引起的。要了解这些是什么，首先应该知道 CNT 在捆绑时会自然地排列成六边形图案。向错是指这种图案中的缺陷，即六个 CNT 组中缺少一个 CNT(正向错)，或者插入一个额外的 CNT 以形成七个 CNT 的排列(负向错)。
根据模拟结果，研究人员发现，当 CNTB 扭曲时，由于局部 CNT 重排，会出现向错。这些向错在具有更多层的 CNTB 中形成长而弯曲的向错线。最重要的是，这些线似乎对 CNTB 在机械拉伸时的行为有直接影响。
“我们观察到，向错线的存在导致 CNTB 的杨氏模量下降，向错线越长，杨氏模量越低。因此，扭曲的 CNTB 中出现向错线可能是CNT 纱线机械性能下降的关键原因之一，”Lei 解释道。
总的来说，这项研究的结果有助于解释CNTB当前的一些局限性，并暗示了通过加捻实现高性能CNT纱线的潜在解决方案。
“利用对材料中引入晶格缺陷所导致的微观内部堆叠结构变化与机械性能之间相关性的理解，可以开创一个与计算材料科学相关的新学术领域，”雷教授强调道。“我们最终的目标是让我们的研究为在不久的将来实现一个智能、可持续和繁荣的社会做出贡献。”
幸运的是，与 CNT 相关的当前挑战将很快得到解决，以便这些神奇的材料能够帮助我们进一步推动技术进步。