تقدم كبير في أبحاث ألياف الأنابيب النانوية الكربونية فائقة القوة في الصين

في الآونة الأخيرة، تعاون فريق البروفيسور وي في من قسم الهندسة الكيميائية بجامعة تسينغهوا مع البروفيسور لي شيد من كلية علوم الطيران والفضاء بجامعة تسينغهوا لتحقيق تقدم كبير في مجال ألياف الأنابيب النانوية الكربونية فائقة الطول. وقد تم الإبلاغ لأول مرة في العالم عن أن القوة النظرية لأنابيب الكربون النانوية المفردة كانت طويلة للغاية. تتمتع حزم أنابيب الكربون النانوية بقوة شد تتجاوز جميع مواد الألياف الأخرى الموجودة حاليًا.

تعتبر أنابيب الكربون النانوية واحدة من أقوى المواد الموجودة حاليًا، حيث تبلغ قوتها الشد أكثر من 100 جيجا باسكال وأكثر من 10 قوى ألياف الكربون. ومع ذلك، عندما يتم تحضير أنبوب نانوي كربوني واحد ذو خصائص ميكانيكية ممتازة إلى مادة كبيرة الحجم، فإن أداءه يكون في كثير من الأحيان أقل بكثير من القيمة النظرية. في المقابل، يبلغ طول أنابيب الكربون النانوية فائقة الطول سنتيمترات أو حتى ديسيمترات، ولها بنية مثالية، مع اتجاه موحد وخصائص ميكانيكية قريبة من الحد النظري، ولها مزايا كبيرة في تحضير ألياف فائقة القوة.

باستخدام طرق تركيز تدفق الغاز في الموقع، يمكن لفريق البحث التحكم في إعداد أنبوب نانوي كربوني فائق الطول مستمر بقطر سنتيمتر واحد مع تركيبة محددة وبنية مثالية وترتيب موازٍ، وتجنب العامل المحدد بمهارة. من خلال إعداد حزم من الأنابيب النانوية الكربونية فائقة الطول تحتوي على أعداد مختلفة من الوحدات وتحليل تأثيرات تركيبها على الخصائص الميكانيكية لحزم الأنابيب النانوية الكربونية فائقة الطول بشكل كمي، تم إنشاء نماذج فيزيائية/رياضية ثابتة.

توصلت الدراسة إلى أن توزيع الإجهاد الأولي لأنابيب الكربون النانوية في حزمة الأنابيب ليس موحدًا، بحيث لا يمكن إخضاع أنابيب الكربون النانوية في حزمة الأنابيب لقوى متزامنة وموحدة، مما يؤدي بدوره إلى انخفاض القوة الإجمالية، أي "تأثير دانيال". وبناءً على ذلك، اقترح فريق البحث استراتيجية "الاسترخاء المتزامن"، والتي تعمل على إطلاق الضغط الأولي لأنابيب الكربون النانوية في حزمة الأنابيب عن طريق التلاعب النانوي، بحيث تكون في نطاق ضيق من التوزيع، وبالتالي قوة الشد لحزمة أنابيب الكربون النانوية تم رفعها إلى أكثر من 80 جيجاباسكال، وهي قريبة من قوة الشد لأنابيب الكربون النانوية الفردية.

يكشف هذا العمل عن الآفاق المشرقة لاستخدام الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة للغاية في تصنيع الألياف الفائقة، ويشير في الوقت نفسه إلى الاتجاهات والأساليب لتطوير ألياف فائقة جديدة.