碳纖維具有輕質(zhì)、高機(jī)械強(qiáng)度和高耐熱性的優(yōu)異特性，可廣泛應(yīng)用于各種高精尖領(lǐng)域，包括汽車制造、航空航天和核工程。

碳纖維通過聚合物前體，經(jīng)紡絲、穩(wěn)定化和碳化等一系列過程制備。然而，當(dāng)聚合物基質(zhì)中存在不明確的區(qū)域時(shí)，制得的碳纖維內(nèi)含無序取向的缺陷，對(duì)于高質(zhì)量碳纖維的生產(chǎn)，這一直是個(gè)很大的阻礙。

為解決這個(gè)問題，研究人員提出可引入碳納米管(CNT)以增強(qiáng)聚合物的取向和結(jié)晶。然而，盡管明白了CNT-聚合物界面的取向幾何形狀對(duì)所生產(chǎn)碳纖維的質(zhì)量有明顯影響，但迄今為止，人們對(duì)CNT-聚合物界面的原子理解仍十分有限，這阻礙了碳纖維進(jìn)一步的發(fā)展。

為了闡明CNT-聚合物相互作用的性質(zhì)，來自能源、環(huán)境、水和可持續(xù)發(fā)展研究生院的Yong-Hoon Kim教授和他的團(tuán)隊(duì)，采用了多尺度方法對(duì)CNT-聚合物界面進(jìn)行研究，這種方法結(jié)合了第一原理密度泛函理論（DFT）計(jì)算和力場(chǎng)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，揭示了聚合物-CNT界面獨(dú)特結(jié)構(gòu)和電子特性。

他們對(duì)聚丙烯腈（PAN）-CNT（作為聚合物-CNT復(fù)合材料的代表）的混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。丙烯腈是碳纖維生產(chǎn)中最常見的聚合物前體，占碳纖維產(chǎn)量的90％以上。

DFT計(jì)算結(jié)果表明，平鋪分布的PAN相較垂直分布的PAN，前者提供的PAN-CNT結(jié)合能更大。最大化平鋪分布的PAN前體能讓PAN在CNT上線性對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的有序長(zhǎng)程PAN-PAN包裝。

他們還將CNT曲率確定為影響碳纖維質(zhì)量的另一重要因素，給出零曲率石墨烯極限下PAN-CNT結(jié)合能最大的結(jié)果。在大量MD模擬后，發(fā)現(xiàn)石墨烯納米帶誘導(dǎo)吸附在石墨烯上的PAN，表現(xiàn)出排列具有很高的傾向性，證明石墨烯納米帶是一種很有前途的碳納米增強(qiáng)候選物。

Kim教授說：“這項(xiàng)研究可以成為一個(gè)典型案例，其中量子力學(xué)模擬確定了開發(fā)先進(jìn)材料的基本原則。模擬理論和計(jì)算機(jī)性能在進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬研究在材料設(shè)計(jì)開發(fā)中將發(fā)揮更大的作用。”