|
据报道，从理论上说，碳纳米管的的强度要比钢硬100倍。但在实际应用中，科学家们正努力使得纳米管达到这一标准。部分原因是因为目前人们对纳米管到底是如何破裂以及在什么情况下才会破裂等一系列问题还不是很清楚。
由于纳米管属于单分子结构——约为人类头发丝的八万分之一大小。要使纳米管破裂涉及到一系列问题如对分子间联结、原子动力学以及复杂量子现象等问题的研究。实际的情况是，纳米管的种类有数百种之多，而且通常各种纳米管之间的复杂性不同，而且其特性也有很大差异。
来自赖斯大学和明尼苏达大学的材料科学家们使用计算机建模的方法构建了一幅“强度图”，来模拟纳米管破裂的可能性和概率，了解到纳米管如何才可能破裂是基于四个基本的变量。
机械工程学、材料学以及化学教授鲍里斯－雅科布森说：“纳米管破裂有两种形式：要么特别脆，可以一折就断；要么比较有韧性，受力后纳米管变形。这取决于纳米管分子的联结情况。我们发现，引起两种破裂形式的潜在机制几乎在同时都展现了出来。甚至在个别测试中，任何一种破裂都可能发生，但通过概率统计，我们还是绘制出了其中的一种形式，这是对所有的纳米种类在大部分情况下都可能发生的破裂情形的统计。”雅科布森的研究结果将发表在《美国国家科学院院报》的网络版上。
碳纳米管属于单个纯碳分子结构。它们是一种长而狭窄的中空圆柱结构，厚度仅有一个原子大小。科学家估计，这种单层碳纳米管（SWNT）与钢材比起来，不仅强度硬100倍，而且重量也只有钢材的六分之一。而目前广泛用于防弹衣的凯夫拉尔纤维，与同等重量的钢相比，强度只比钢材硬5倍。
纳米管的精确直径可以从半纳米以下到3纳米（十亿分之一米）以上。纳米管也可能由于卷曲的角度而有所不同。科学家称这种角位为手性角，一个很好的例子就是礼品包装纸的卷曲。如果将纸十分小心的卷成管状，使两个纸边正好重合，那就不存在突出部分了。然而，如果卷的多了，那么总有一边超出另一边，这一超出的角度就称为手性角。纳米管的手性角可以从0度（两边正好重合）到30度之间变化，于是使得不同手性和直径的纳米管其本身的物理属性也有很大不同。例如有些是金属性，另一些则不是。
为了改进对纳米管破裂形式的计算机模型，雅科布森教授考虑了四种临界值：负荷水平、负荷持续时间、温度以及手性。原赖斯大学的博士后研究员，现为明尼苏达大学机械工程学助理教授的特雷恩－多米特里加，他同时也是论文的合著者，他说：“个别纳米管的破裂机制很大程度上取决于其固有的卷曲属性，也就是其手性。然而，温度条件仍然对结果产生影响。我们在计算机模拟的‘强度图’中概括了手性依赖的参数，这一方法为材料科学研究提供了一个很好的预测性模拟。”
|
