一篇2018年8月3日發表在《高級功能材料》的文章介紹:韓國先進科學技術研究所( KAIST )研究小組進行了最先進的計算機模擬，確定了一個原子設計原則來生產高質量的下一代碳纖維。
碳纖維重量輕，但機械強度和耐熱性優異。憑藉這些特性，它們可以廣泛應用於高技術領域，包括汽車、航空航天和核工程。
它們是由聚合物前體通過一系列紡絲、穩定和碳化過程生產的。然而，生產高質量的碳纖維產品有一個主要障礙。也就是說，當聚合物基體中存在定義不清的區域時，它們會導致所生產的碳纖維中出現無序和缺陷。
作為這個問題的解決方案，有人提出引入碳納米管( CNT )可以增強聚合物的取向和結晶。然而，儘管CNT -聚合物界面的排列幾何形狀明顯影響所生產的纖維的質量，但是迄今為止，對CNT -聚合物界面的原子性理解仍然缺乏，阻礙了進一步的發展。
為了闡明碳納米管-聚合物相互作用的本質，能源、環境、水和可持續性研究生院的金永勳教授和他的團隊採用了一種多尺度方法，該方法結合了第一原理密度泛函理論( DFT )計算和力場分子動力學( MD )模擬，揭示了聚合物-碳納米管界面的獨特結構和電子特性。
在這裡，他們研究了聚丙烯腈( PAN ) -碳納米管雜化結構，作為聚合物-碳納米管複合材料的典型案例。PAN是最常見的聚合物前體，佔碳纖維產量的90 %以上。
基於他們的DFT計算，研究小組顯示，與直立的PAN - CNT相比，直立的PAN構型給出了更大的PAN - CNT結合能。此外，最大化平躺式平底鍋配置被顯示為允許平底鍋在CNT上線性對齊，從而實現了理想的有序長程平底鍋包裝。
他們還將CNT曲率確定為另一個重要因素，給出了零曲率石墨烯極限中最大的PAN - CNT結合能。進行大規模MD模擬後，他們證明石墨烯納米帶是一種有前途的碳材料通過明確顯示其強烈傾向於誘導吸附在其上的盤的線性排列，納米增強候選物。
Kim教授說，“這項研究可能是一個典型的例子，量子力學模擬確定了開發先進材料的基本原則。計算機模擬研究將會發揮更大的作用，模擬理論和計算機性能。"
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