Además de ser un componente esencial para la vida, el carbono se está investigando activamente por su potencial como material de ingeniería. Los nanotubos de carbono (CNT) han demostrado un gran potencial, en particular para aplicaciones aeroespaciales, de semiconductores y médicas, en gran parte debido a su alta resistencia y su bajo peso.
Como los CNT suelen ser pequeños, hay que tejerlos en haces o hilos para aumentar su uso práctico. Sin embargo, los científicos han observado que tanto los haces de CNT (CNTB) como los hilos de CNT exhiben una resistencia a la tracción mucho menor que los CNT individuales cuando se retuercen: ¡una reducción en la eficiencia de estiramiento de hasta varios órdenes de magnitud! Peor aún, a pesar de los esfuerzos de investigación, las razones detrás de este fenómeno siguen sin estar claras.
En un estudio publicado en Carbón El 30 de mayo de 2024, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Zhao Wen Li del Instituto de Tecnología de Tokio, Japón, intentó resolver este rompecabezas. Combinando simulaciones de dinámica molecular (MD) y el algoritmo de triangulación de Delaunay, arrojan luz sobre lo que puede suceder dentro de los CNTB cuando se doblan.
Los investigadores construyeron varios modelos y configuraciones de CTNB para simulaciones de MD, considerando diferentes números de capas de CNT, longitudes de CNT, ángulos de torsión y perfiles de fuerza de torsión. Después de ejecutar las simulaciones, analizaron cuidadosamente cómo respondían los CNTB al estiramiento antes y después de la flexión.
Al observar la sección transversal de los CNTB retorcidos, el equipo reveló que el bajo rendimiento mecánico de los CNTB y los hilos CNT podría deberse a lo que se denomina “segregación en cuña”. Para entender cuáles son, primero hay que saber que los CNT se organizan naturalmente en un patrón hexagonal cuando se agrupan. La discriminación se refiere a un defecto en el patrón, por el cual falta un CNT de un grupo de seis (discriminación positiva) o se inserta un CNT adicional para formar un arreglo de siete (discriminación negativa).
Basándose en las simulaciones, los investigadores descubrieron que cuando los CNTB se doblaban, se producía una diferenciación debido a la reorganización local de los CNT. Estas diferenciaciones formaron líneas de diferenciación largas y curvas en CNTB con más capas. Lo más importante es que estas líneas tienen un efecto directo sobre el comportamiento de estiramiento mecánico de los CNTB. “Observamos que la presencia de líneas de disclinación daba como resultado una disminución en el módulo de Young de los CNTB, mientras que líneas de disclinación más largas correspondían a un módulo de Young más bajo. Una disminución en las propiedades mecánicas de los hilos CNT”, explica Lei.
En conjunto, los resultados de este estudio ayudan a explicar algunas de las limitaciones actuales de los CNTB y apuntan a una posible solución para obtener hilos CNT de alto rendimiento hilandolos. “Aprovechar los conocimientos adquiridos al comprender la correlación entre las propiedades mecánicas debidas a cambios estructurales microscópicos de apilamiento interno y la introducción de defectos reticulares en los materiales puede abrir un nuevo campo académico relacionado con la ciencia computacional de los materiales”, destacó Lee. “En última instancia, nuestro objetivo es que nuestra investigación contribuya a una sociedad inteligente, sostenible y próspera en un futuro próximo”.
Con un poco de suerte, los desafíos actuales asociados con los CNT pronto se resolverán para que este increíble material pueda ayudarnos a avanzar aún más en el estado del arte.
