Ein großer Durchbruch in der Forschung an ultrastarken Kohlenstoffnanoröhrenfasern in China
Kürzlich gelang dem Team von Professor Wei Fei vom Institut für Chemieingenieurwesen der Universität Tsinghua in Zusammenarbeit mit Professor Li Xide von der Fakultät für Luft- und Raumfahrt der Universität Tsinghua ein großer Durchbruch auf dem Gebiet superlanger Kohlenstoffnanoröhrenfasern. Erstmals wurde weltweit berichtet, dass die theoretische Festigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren extrem hoch ist. Bündel von Kohlenstoffnanoröhren verfügen über eine Zugfestigkeit, die die aller anderen derzeit bekannten Fasermaterialien übertrifft.
Kohlenstoffnanoröhren gelten als eines der leistungsfähigsten Materialien, die derzeit bekannt sind. Sie weisen eine Zugfestigkeit von über 100 GPa und eine mehr als zehnmal so hohe Festigkeit wie Kohlenstofffasern auf. Wenn jedoch aus einem einzelnen Kohlenstoffnanoröhrenmaterial mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften ein makroskopisches Material hergestellt wird, liegt seine Leistung häufig weit unter dem theoretischen Wert. Im Gegensatz dazu sind ultralange Kohlenstoffnanoröhren einige Zentimeter oder sogar Dezimeter lang und verfügen über eine perfekte Struktur mit gleichmäßiger Ausrichtung und mechanischen Eigenschaften nahe der theoretischen Grenze. Sie bieten große Vorteile bei der Herstellung superstarker Fasern.
Durch die Verwendung von In-situ-Gasflussfokussierungsmethoden kann das Forschungsteam die Herstellung einer zentimeterlangen, durchgehenden Kohlenstoffnanoröhre mit präziser Zusammensetzung, perfekter Struktur und paralleler Anordnung kontrollieren und so den limitierenden Faktor geschickt umgehen. Durch die Herstellung von Bündeln ultralanger Kohlenstoffnanoröhren mit unterschiedlichen Einheitenzahlen und die quantitative Analyse der Auswirkungen ihrer Zusammensetzung auf die mechanischen Eigenschaften der Bündel ultralanger Kohlenstoffnanoröhren wurden etablierte physikalisch-mathematische Modelle erstellt.
Die Untersuchung ergab, dass die anfängliche Spannungsverteilung der Kohlenstoffnanoröhren im Röhrenbündel nicht gleichmäßig ist, so dass die Kohlenstoffnanoröhren im Röhrenbündel keinen gleichzeitigen und gleichmäßigen Kräften ausgesetzt werden können, was wiederum zu einer Verringerung der Gesamtfestigkeit führt (der sogenannte „Daniel-Effekt“). Darauf aufbauend schlug das Forschungsteam eine Strategie der „synchronen Entspannung“ vor, bei der die anfängliche Spannung der Kohlenstoffnanoröhren im Röhrenbündel durch Nanomanipulation gelöst wird, so dass sie in einem engen Verteilungsbereich liegt und somit die Zugfestigkeit des Kohlenstoffnanoröhrenbalkens Erhöht auf über 80 GPa, nahe der Zugfestigkeit einzelner Kohlenstoffnanoröhren.
Diese Arbeit enthüllt die vielversprechenden Aussichten der Verwendung ultralanger Kohlenstoffnanoröhren zur Herstellung von Superfasern und zeigt gleichzeitig die Richtungen und Methoden für die Entwicklung neuer Superfasern auf.