東京工業大學雷霄雯副教授、博士生路通，以及藤居俊之教授的研究團隊，首次在束狀奈米碳管(Carbon Nanotube Bundle: CNTB)的扭轉程序中觀察到了向錯成核及向錯線的成長，提出了向錯線可能是影響CNTB機械性能的潛在終極因數之一。這一發現從新的角度理解了扭轉對CNT紗線機械性能的影響，併爲製備高性能的CNT紗線提供了理論指導。
研究概要圖（供圖：東京工業大學雷霄雯副教授，原圖出自刊載於學術雜誌《Carbon》的英文論文）
CNT自被發現以來，其優異的機械性能一直備受關注。CNT具有極高的強度和模數，在材料科學和工程領域中展現出了巨大的潛力。然而，單根CNT在實際應用中存在一些侷限，特別是在大規模和宏觀結構的應用方面。爲此，透過加捻將單根CNT組裝成更大尺寸的CNT紗線成爲一種常見的方法。然而，儘管CNT紗線整體上保持了一定的機械性能，其性能卻遠不及單根CNT。這種性能的下降侷限了CNT紗線的應用前景。目前，有關CNT紗線機械性能下降的機制研究尚少，在已有的研究表明，柱狀絲束在加捻程序中可能會產生局部結構變化從而引入向錯，但具體的形成機制及其對機械性能的影響程度尚不清楚。
爲了探究CNT成紗性能下降的終極因數，東京工業大學雷霄雯副教授、博士生路通，以及藤居俊之教授的研究團隊採用分子動力學模擬的方法，結合Delaunay三角剖分方法，從原子層面剖析了扭轉程序中CNTB的每一横向截面的局部結構變化。首先，爲了分析CNTB内部結構在横向截面上的變化，將CNTB全原子模式(圖1(a))粗粒化成一條線（如圖1(b)），每個横向截面（xy平面）上每個CNT看作一個點(圖1(c))，扭轉後的CNTB模式如圖1(d)所示。
圖1. (a)起始情況的CNTB全原子模式；(b)粗粒化後起始情況的CNTB模式；(c)粗粒化後的CNTB的横向截面；(d)粗粒化後且扭轉後的CNTB模式；(e)Delaunay三角剖分後的CNTB横向截面。（供圖：東京工業大學雷霄雯副教授，原圖出自東京工業大學的新聞發佈）
由圖中可以看到，這兩種CNTB在初始弛豫狀態下呈現均勻六邊形結構，並且均隨着扭轉程序發生了坍縮，產生局部結構變化，從而導致向錯的出現。爲了清楚展示每個CNT周圍發生的局部變化，研究團隊用Delaunay三角剖分法劃分出每個CNT的最近鄰，圖1(e)上下分別爲2層CNTB和7層CNTB的結構。
圖2. (a)起始情況的CNTB；(b)第一次出現向錯線的CNTB；(c)向錯線逐漸成長的CNTB；(d)扭轉程序中向錯線的長度和扭矩與扭轉角的關係；(e)CNTB楊氏模數與扭轉角的關係；(f)向錯線的長度與楊氏模數呈反比。（供圖：東京工業大學雷霄雯副教授，原圖出自東京工業大學的新聞發佈）
之後，研究人員整合每一個横向截面中的向錯，並展示在3維模式中，如圖2(a)到(c)所示，可以看到，向錯連接成一條曲線，這條曲線被定義爲CNTB中的向錯線。隨着扭轉角的增大，向錯線的長度逐漸增加，其中最爲重要的是隨着向錯線長度的增加，CNTB的楊氏模數下降，這表明扭轉程序中產生的向錯線對CNTB的拉伸性能會產生不利影響。
這一發現揭示了CNT紗線強度下降的機制。透過探究向錯線在CNTB中的形成和隊形變換，不僅加深了對CNT紗線在扭轉程序中產生的微觀結構變化的認識，也爲未來改進CNT紗線的製造工藝提供了理論基礎和指導。
文 曹暉 JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Carbon
論文：Nucleation of disclinations in carbon nanotube bundle structures under twisting loads
DOI：doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119287
作者：Tong Lu、Xiao-Wen Lei、Toshiyuki Fujii
東京工業大學新聞發佈
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