Terobosan besar dalam penelitian serat nanotube karbon ultra-kuat di Tiongkok

Baru-baru ini, tim Profesor Wei Fei dari Departemen Teknik Kimia Universitas Tsinghua bekerja sama dengan Prof. Li Xide dari Sekolah Aeronautika dan Astronautika Universitas Tsinghua untuk membuat terobosan besar di bidang serat nanotube karbon super panjang. Dilaporkan untuk pertama kalinya di dunia bahwa kekuatan teoritis nanotube karbon tunggal sangat panjang. Bundelan nanotube karbon memiliki kekuatan tarik yang melampaui semua bahan serat lain yang ditemukan saat ini.

Nanotube karbon dianggap sebagai salah satu bahan terkuat yang ditemukan saat ini, dengan kekuatan tarik lebih dari 100 GPa dan kekuatan serat karbon lebih dari 10. Namun, ketika sebuah nanotube karbon tunggal dengan sifat mekanik yang sangat baik disiapkan menjadi bahan makroskopis, kinerjanya seringkali jauh di bawah nilai teoritis. Sebaliknya, nanotube karbon ultra-panjang memiliki panjang sentimeter atau bahkan desimeter dan memiliki struktur yang sempurna, dengan orientasi seragam dan sifat mekanis yang mendekati batas teoritis, dan memiliki keunggulan besar dalam persiapan serat super-kuat.

Dengan menggunakan metode pemfokusan aliran gas in-situ, tim peneliti dapat mengendalikan persiapan tabung nanotube karbon superpanjang kontinu sentimeter dengan komposisi yang pasti, struktur yang sempurna, dan susunan paralel, serta secara terampil menghindari faktor pembatas. Dengan menyiapkan kumpulan nanotube karbon ultra-panjang yang berisi berbagai jumlah unit dan menganalisis secara kuantitatif efek komposisinya terhadap sifat mekanis kumpulan nanotube karbon ultra-panjang, model fisika/matematika yang mapan telah ditetapkan.

Penelitian ini menemukan bahwa distribusi tegangan awal dari karbon nanotube dalam bundel tabung tidak seragam, sehingga karbon nanotube dalam bundel tabung tidak dapat dikenakan gaya yang simultan dan seragam, yang pada gilirannya menyebabkan penurunan kekuatan keseluruhan, yaitu, "efek Daniel". Berdasarkan hal tersebut, tim peneliti mengusulkan strategi “relaksasi sinkron”, yaitu melepaskan tegangan awal karbon nanotube pada ikatan tabung dengan cara nanomanipulasi, sehingga berada pada rentang distribusi yang sempit, sehingga kekuatan tarik balok karbon nanotube menjadi lebih rendah. Ditingkatkan hingga di atas 80 GPa, mendekati kekuatan tarik nanotube karbon tunggal.

Karya ini mengungkap prospek cerah penggunaan nanotube karbon ultra-panjang untuk pembuatan serat super, dan sekaligus menunjukkan arah dan metode untuk pengembangan serat super baru.