东京工业大学雷霄雯副教授、博士生路通，以及藤居俊之教授的研究团队，首次在束状碳纳米管(Carbon Nanotube Bundle: CNTB)的扭转过程中观察到了向错成核及向错线的生长，提出了向错线可能是影响CNTB机械性能的潜在原因之一。这一发现从新的角度理解了扭转对CNT纱线机械性能的影响，并为制备高性能的CNT纱线提供了理论指导。
研究概要图（供图：东京工业大学雷霄雯副教授，原图出自刊载于学术杂志《Carbon》的英文论文）
CNT自被发现以来，其优异的机械性能一直备受关注。CNT具有极高的强度和模量，在材料科学和工程领域中展现出了巨大的潜力。然而，单根CNT在实际应用中存在一些限制，特别是在大规模和宏观结构的应用方面。为此，通过加捻将单根CNT组装成更大尺寸的CNT纱线成为一种常见的方法。然而，尽管CNT纱线整体上保持了一定的机械性能，其性能却远不及单根CNT。这种性能的下降限制了CNT纱线的应用前景。目前，有关CNT纱线机械性能下降的机理研究尚少，在已有的研究表明，柱状丝束在加捻过程中可能会产生局部结构变化从而引入向错，但具体的形成机制及其对机械性能的影响程度尚不清楚。
为了探究CNT成纱性能下降的原因，东京工业大学雷霄雯副教授、博士生路通，以及藤居俊之教授的研究团队采用分子动力学模拟的方法，结合Delaunay三角剖分方法，从原子层面剖析了扭转过程中CNTB的每一横截面的局部结构变化。首先，为了分析CNTB内部结构在横截面上的变化，将CNTB全原子模型(图1(a))粗粒化成一条线（如图1(b)），每个横截面（xy平面）上每个CNT看作一个点(图1(c))，扭转后的CNTB模型如图1(d)所示。
图1. (a)初始状态的CNTB全原子模型；(b)粗粒化后初始状态的CNTB模型；(c)粗粒化后的CNTB的横截面；(d)粗粒化后且扭转后的CNTB模型；(e)Delaunay三角剖分后的CNTB横截面。（供图：东京工业大学雷霄雯副教授，原图出自东京工业大学的新闻发布）
由图中可以看到，这两种CNTB在初始弛豫状态下呈现均匀六边形结构，并且均随着扭转过程发生了坍缩，产生局部结构变化，从而导致向错的出现。为了清楚展示每个CNT周围发生的局部变化，研究团队用Delaunay三角剖分法划分出每个CNT的最近邻，图1(e)上下分别为2层CNTB和7层CNTB的结构。
图2. (a)初始状态的CNTB；(b)第一次出现向错线的CNTB；(c)向错线逐渐生长的CNTB；(d)扭转过程中向错线的长度和扭矩与扭转角的关系；(e)CNTB杨氏模量与扭转角的关系；(f)向错线的长度与杨氏模量呈反比。（供图：东京工业大学雷霄雯副教授，原图出自东京工业大学的新闻发布）
之后，研究人员整合每一个横截面中的向错，并展示在3维模型中，如图2(a)到(c)所示，可以看到，向错连接成一条曲线，这条曲线被定义为CNTB中的向错线。随着扭转角的增大，向错线的长度逐渐增加，其中最为重要的是随着向错线长度的增加，CNTB的杨氏模量下降，这表明扭转过程中产生的向错线对CNTB的拉伸性能会产生不利影响。
这一发现揭示了CNT纱线强度下降的机制。通过探究向错线在CNTB中的形成和发展，不仅加深了对CNT纱线在扭转过程中产生的微观结构变化的认识，也为未来改进CNT纱线的制造工艺提供了理论基础和指导。
文 曹晖 JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Carbon
论文：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
东京工业大学新闻发布
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