一篇2018年8月3日发表在《高级功能材料》的文章介绍:韩国先进科学技术研究所( KAIST )研究小组进行了最先进的计算机模拟，确定了一个原子设计原则来生产高质量的下一代碳纤维。
碳纤维重量轻，但机械强度和耐热性优异。凭借这些特性，它们可以广泛应用于高技术领域，包括汽车、航空航天和核工程。
它们是由聚合物前体通过一系列纺丝、稳定和碳化过程生产的。然而，生产高质量的碳纤维产品有一个主要障碍。也就是说，当聚合物基体中存在定义不清的区域时，它们会导致所生产的碳纤维中出现无序和缺陷。
作为这个问题的解决方案，有人提出引入碳纳米管( CNT )可以增强聚合物的取向和结晶。然而，尽管CNT -聚合物界面的排列几何形状明显影响所生产的纤维的质量，但是迄今为止，对CNT -聚合物界面的原子性理解仍然缺乏，阻碍了进一步的发展。
为了阐明碳纳米管-聚合物相互作用的本质，能源、环境、水和可持续性研究生院的金永勋教授和他的团队采用了一种多尺度方法，该方法结合了第一原理密度泛函理论( DFT )计算和力场分子动力学( MD )模拟，揭示了聚合物-碳纳米管界面的独特结构和电子特性。
在这里，他们研究了聚丙烯腈( PAN ) -碳纳米管杂化结构，作为聚合物-碳纳米管复合材料的典型案例。PAN是最常见的聚合物前体，占碳纤维产量的90 %以上。
基于他们的DFT计算，研究小组显示，与直立的PAN - CNT相比，直立的PAN构型给出了更大的PAN - CNT结合能。此外，最大化平躺式平底锅配置被显示为允许平底锅在CNT上线性对齐，从而实现了理想的有序长程平底锅包装。
他们还将CNT曲率确定为另一个重要因素，给出了零曲率石墨烯极限中最大的PAN - CNT结合能。进行大规模MD模拟后，他们证明石墨烯纳米带是一种有前途的碳材料通过明确显示其强烈倾向于诱导吸附在其上的盘的线性排列，纳米增强候选物。
Kim教授说，“这项研究可能是一个典型的例子，量子力学模拟确定了开发先进材料的基本原则。计算机模拟研究将会发挥更大的作用，模拟理论和计算机性能。"
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