Estudio de la dispersión de CNT mediante simulación de Saxs

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. Víctor Morales Flórez. Las técnicas de fabricación de materiales compuestos con fases nanoestructuradas como los nanotubos de carbono (CNT) adolecen de una herramienta de caracterización que permita cuantificar la calidad de la dispersión de la nanofase en el interior de la matriz. Sin embargo, conocer el grado de homogeneización de la nanofase es un aspecto crítico para conseguir mejorar las propiedades mecánicas del material. Debido a los tamaños característicos de los CNT (nm μm), la técnica de scattering de rayos X a bajo ángulo (SAXS) puede ser de gran utilidad a la hora de revelar la formación de agregados en los procesos de fabricación. Este trabajo plantea desarrollar una herramienta que permita obtener, mediante simulación, las curvas de intensidad de scattering asociadas a sistemas fibrilares tales como los CNT que presenten diferentes grados de homogeneización. Es decir, se quiere identificar la “firma de scattering” de cada distribución, dado que los nanotubos individualmente dispersos y formando agregados presentarán señales de scattering diferentes. Durante la construcción de esta herramienta se trabajará primero con sistemas que presentan una estructura jerárquica para verificar el correcto funcionamiento del código para el cálculo de la intensidad de SAXS a partir de la función de distribución de pares. Posteriormente, se construirán sistemas con estructuras fibrilares con distintos grados de agregación y se simularán sus curvas de intensidad de SAXS. A partir de estos resultados, se estudiará la correspondencia entre el grado de homogeneización del sistema y distintos parámetros obtenidos a partir de la curva de scattering para determinar cuál de ellos puede ser empleado para definir experimentalmente la calidad de la dispersión.

Preparation techniques for composite materials with nanostructured phases like carbon nanotubes (CNT) need a characterization tool that quantifies the degree of homogenization of the nanophase embedded in the matrix. Knowing the degree of homogenization is a critical aspect during the manufacturing due to the presence of aggregates is usually a problem for the resulting composite. Given the size of CNT (nm μm), techniques such as small angle X-ray scattering (SAXS) can help to solve this problem in the manufacturing processes, as they explore just this range of typical sizes. This work is trying to develop a computational tool that identifies how the differences in the dispersion degree of CNTs in the small-angle scattering experiments may be revealed. That is, we want to identify the “scattering signature” for each distribution, since the individually dispersed nanotubes and nanotubes aggregates will present different scattering signals. In this way, we will start by studying systems that have a hierarchical structure to verify the correct operation of the code for calculating the SAXS intensity from the pair distribution function. After that, systems with fibrillar structures with different degrees of aggregation will be built and their SAXS intensity curves will be simulated. These results will be used to analyze the correspondence between the degree of homogenization of the system and different parameters obtained from the scattering curve in order to determine which of them can be used to define the quality of the dispersion experimentally.