ACS Nano:論合成“零缺陷”碳納米管的重要性

理論上，采用碳納米管（CNTs）可生產出拉伸強度高達50GPa超強材料。然而，實際上生產的很多碳納米管纖維的強度只有幾個GPa。

最近，研究人員基于碳納米管壁上的幾種不同的旋轉位移拓撲缺陷，測試了其在拉伸試驗中的不同力學響應，發現極少的拓撲缺陷就能夠大大降低（高達一個數量級）碳納米管的強度。

這項研究得出：就算是幾近完美的碳納米管的也不能得到超強的材料，因此，合成零缺陷的碳納米管就成為了利用碳納米管制造超強材料的必要條件。

圖文導讀：

圖一：帶有旋轉位移拓撲缺陷的石墨烯/碳納米管的應變分布圖

圖一：旋轉位移拓撲缺陷不同于普通的點缺陷，它有五角形（a）和七角形（c)兩種，在石墨烯或碳納米管結構中，這兩種缺陷的存在不僅能改變缺陷處的結構，并且還能影響材料的整體形狀。圖（a）和（c）分別為帶有五角形和七角形拓撲缺陷的石墨烯納米帶，在其長度方向上施加拉應力后的應變狀態圖。圖（b）和（d）為相應于圖（a）和（c）中相對顏色虛線處的應變曲線圖。在沒有(e)和有（f)拉伸載荷條件下，插入有一對5-7拓撲缺陷的ASWCNT（單壁碳納米管）的結構示意圖。

圖二：零缺陷碳納米管與含有拓撲缺陷的碳納米管的破環形式

圖二：圖(a)為零缺陷的CNT（11，0）的在拉應力作用下的能源應變（為拉應變的函數）曲線。（a）中的兩個插圖分別為有9.8%應變的碳納米管（左上角）和斷裂的碳納米管（右下角）。圖（b）為在一項單體研究中，含有5%應變的（6，6）-(11,0)-35.81°碳納米管。圖（c）為沿著(b)圖中的紅色和黑色線的C-C鍵的應變圖。圖（d）為（6，6）-(11,0)-35.81°碳納米管的應變能量，拉伸應力與伸長率圖。圖（e?h）為（6，6）-(11,0)-35.81°碳納米管在斷裂過程中的快照。五角形和七角形缺陷分別用藍色和紅色的球突出顯示。
注：(n1,m1)-(n2,m2)-θ CNT表示含有一定拓撲缺陷的碳納米管，其中(n1,m1)和(n2,m2)表示直線碳納米管節段的螺旋參數，θ為旋轉角。

圖三：含有拓撲缺陷的碳納米管的機械性能顯著降低

圖三：圖（a）為碳納米管的斷裂應力σ(a)作為碳納米管管壁的轉動角度和管直徑（插圖所示）的函數的曲線圖。圖（b）為等效斷裂應變ε(b)和韌性T(c)作為碳納米管管壁的轉動角度和管直徑（插圖所示）的函數的曲線圖。圖(b)和(c)中的暗綠色虛線對應的等效斷裂應變和韌性的擬合公式分別為︰ε=36.55×θ（?0.57）和T=43.72×θ(?1)。圖（d）為(6，6)-(11,0)-35.81°碳納米管（紅色虛線）和（6，6）-(11,0)92.53°碳納米管（藍色虛線）在20GPa的拉應力作用下彎曲區域的應變分布圖。

圖四：20GPa拉應力下不同碳納米管的歸一化應變分布圖

圖四：分別為(3, 3)-(5, 0)-34.78°, (5, 5)-(9, 0)-35.96°,和 (7, 7)-(13, 0)-35.81°碳納米管在20GPa的拉應力作用下的歸一化應變分布圖。碳原子按照與其相連的三個鍵的平均應變大小被填色。

圖五：原子模擬碳納米管纖維的破裂過程

圖五：圖（a）為由分別為（8，0）-(9, 0)-0°（綠色）和（5，5）-(9，0)35.96°（藍色）的兩條碳納米管組成的碳納米管纖維模型。圖（b）為碳納米管纖維的應變能和拉應力對應變的關系曲線圖。圖（c）為含有七邊形缺陷的(5,5)-(9,0)碳納米管的最長的C?C鍵的長度與應變的關系曲線圖。圖（d）和（e）分別為(5,5)-(9,0)碳納米管纖維斷裂前和斷裂后的快照。

原文參考鏈接：The Great Reduction of a Carbon Nanotube’s mechanical performance by a few topological defects

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