用超级计算机模拟，揭示纳米增强碳纤维强度的机制
碳纤维比钢更强，却比铝更轻，已成为航空航天和高性能交通工具的核心材料。现在，美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员找到了让它更强的新方法。
团队利用超级计算机“前沿号”，模拟了500万个原子，深入研究一种新型增强工艺：在碳纤维复合材料中加入一层名为PAN(聚丙烯腈)纳米纤维。这项由碳材料与复合材料小组主导的研究结合了基础科学和分子动力学模拟，揭示了材料在原子尺度上的增强机制。相关成果发表在《先进功能材料》期刊上，为飞机、车辆等对强度和轻量化要求极高的制造领域带来了全新可能。
碳纤维复合材料的制作过程是将比人发还细的碳纤维嵌入聚合物基体中。碳纤维本身强度极高，但它与聚合物的粘结却相对脆弱。
橡树岭国家计算科学中心的博士后研究员Tanvir Sohail解释说：“当碳纤维复合材料失效时，往往是从碳纤维与聚合物之间的界面开始的。我们在这个界面加入PAN纳米纤维后，能把应力从碳纤维引导到周围的聚合物中，从而改善整体的受力分布并增强材料强度。”
这个增强工艺叫“静电纺丝”。它利用电场与旋转鼓，将聚丙烯腈拉丝成一卷卷直径不超过10纳米的纳米纤维。而纸张的厚度大约是10万纳米，可以想象这些纳米纤维有多么细微。
碳纤维不仅昂贵，而且试验成本极高。要想全面测试每种材料的性能，几乎不现实。而超级计算则能大幅提升研发效率，帮助科学家在试验前就预测哪些方案最值得推进。但模拟合成过程同样代价高昂，至少对计算资源而言。
橡树岭国家实验室的计算科学家Swarnava Ghosh指出：“碳纤维密度极高，在分子动力学模拟中，意味着要追踪数百万甚至数十亿个原子的行为。”
目前多数高校或企业的高性能计算集群，仅能模拟几千个原子，而且依赖近似算法——将一群原子打包处理，以减轻计算负担。这确实更快也更省资源，但精度牺牲巨大。
为了展示“前沿号”这台世界最强科研超级计算机的威力，研究团队申请了一段由实验室主任特别批准的时间窗口。“前沿号”每秒运算能力高达2百亿亿次，仅动用其一小部分资源，Sohail和Ghosh就成功构建了一个包含500万个原子的模型，模拟PAN纳米纤维增强的碳纤维复合材料。
这个模型首次以全原子层级揭示了碳纤维与聚合物之间的内在作用力机制，达到了前所未有的分子解析精度。
为了找出最佳增强方案，团队使用了LAMMPS(大规模原子/分子并行模拟器)，模拟不同直径的PAN纳米纤维，范围从6纳米到10纳米不等。LAMMPS是一款功能强大的开源分子动力学模拟平台，广泛应用于金属、高分子、生物分子的行为建模，并用于预测它们在应力、温度或化学环境变化下的反应。
模拟结果显示，约6纳米直径的PAN纳米纤维表现最佳。这种更细的纤维在界面处排列更整齐，因而提升了力学强度，也优化了碳纤维与聚合物之间的应力传递效率。
Sohail强调：“如果没有‘前沿号’的计算能力，500万原子的模拟根本无法实现。我们所知范围内，这是首次实现将完整的PAN纳米纤维结构以全原子形式嵌入聚合物中的大规模模拟，而且完全没有依赖简化模型。”
在这次模拟取得突破后，Sohail和Ghosh计划通过创新与理论实验计算影响力项目，申请更多“前沿号”计算时间。他们希望进一步扩大研究规模，甚至加入人工智能技术，探索更多具备多功能特性的复合材料，为下一代节能科技打基础。
Ghosh表示：“我们的目标不仅是让材料更强，还要让它更智能、更高效。现在我们已经证明碳纤维可以被显著增强，就能把这种方法推广到制造业依赖的各种关键材料中。”
