弯曲变形下扭曲碳纳米管束中保持的间隙：为医疗设备优化材料结构的关键发现

为探究扭曲多壁碳纳米管（MWCNT）束在弯曲变形时的力学机制，解决其微观结构与宏观变形关系不明确等问题，研究人员用专门的粗粒化模型研究其弯曲行为。结果表明，内部束的偏角径向梯度对保持结构至关重要，还提出映射技术监测间隙表面变化，为优化 MWCNT 束设计提供依据。

　　在医疗科技飞速发展的今天，可植入式医疗设备成为了医学界的 “宠儿”。其中，扭曲多壁碳纳米管（MWCNT）束因其出色的导电性、化学稳定性、结构柔韧性和生物相容性，被视作极具潜力的体内电化学装置。想象一下，在人体这个复杂且充满活力的 “小宇宙” 里，这些 MWCNT 束就像一个个微观的 “能量使者”，随着人体的各种运动，如膝盖的摆动、呼吸的起伏、神经的活动以及动脉脉搏的跳动而发生弯曲和拉伸。它们不仅能借助血液中的Na+、K+、Cl?和多巴胺离子等电解质实现驱动，还能将机械能转化为电能，为医疗设备的稳定运行贡献力量。

然而，MWCNT 束在人体中的应用并非一帆风顺。就像搭建一座精密的桥梁，工程师需要深入了解每一根钢梁的特性和相互作用一样，科研人员对 MWCNT 束在弯曲和扭转变形时的内部结构变化、间隙空间的产生机制，以及微观行为与宏观变形之间的关系知之甚少。传统的实验方法，如 Brunauer-Emmett-Teller、计算机断层扫描、色散 X 射线和聚焦离子束等方法，虽然能对其结构进行一定程度的探索，但面对 MWCNT 束高度致密的结构，这些方法就显得有些 “力不从心”，无法清晰地揭示其内部奥秘。在计算分析方面，全原子分子动力学模拟虽然能揭示碳材料的纳米级物理特性，但对于微米级的 MWCNT 束模拟，它需要消耗巨大的计算资源，就像驾驶一辆超级跑车需要不断补充海量的燃油一样，成本过高，难以实现。

为了攻克这些难题，来自韩国汉阳大学（Hanyang University）的研究人员挺身而出，开展了一项意义重大的研究。他们将目光聚焦于微米级 MWCNT 束的弯曲变形，运用专门设计的粗粒化（CG）模型，对 MWCNT 束进行了深入的模拟和分析。通过这项研究，他们发现了一个关键的秘密：内部束的偏角径向梯度在弯曲过程中对保持 MWCNT 束的结构起着至关重要的作用。同时，他们还提出了一种简单直接的映射技术，就像给 MWCNT 束的间隙表面安装了一个 “实时监控器”，能够通过追踪粗粒化粒子密度来监测间隙表面在弯曲过程中的变化。这一研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为设计更强大、更高效的 MWCNT 束提供了重要的理论依据，有望推动可植入式医疗设备在复杂人体环境中的可靠应用，就像为医疗设备的发展注入了一针 “强心剂”，为未来医疗技术的进步奠定了坚实的基础。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。首先是粗粒化（CG）模型，他们用代表 CG 珠子替换 10.28 纳米单位段的全原子七壁 MWCNT，同时保持总质量和哈密顿量不变，以此来描述 MWCNT 束的结构和力学行为。在模型构建方面，制备了直径 245 纳米、长度 6147.4 纳米的棒状 MWCNT 束模型，调整 CG 珠子的 MWCNT 直径分布使其与实验观察一致，并设置周期性边界条件。在模拟过程中，使用大规模原子 / 分子大规模并行模拟器（Sandia Laboratory, USA）进行速度 - Verlet 时间积分，通过共轭梯度能量最小化和 Nose-Hoover 算法控制体系温度，对 MWCNT 束进行扭转和弯曲操作，还计算了机械应力等变量来分析结果。

下面来详细看看研究结果：

• 扭曲束在弯曲下的结构和力学行为：研究人员对不同扭转角度的 MWCNT 束进行弯曲模拟。结果发现，扭转角度越大，机械应力集中的热点区域越宽。未扭转的（B0）束在弯曲时，von Mises 应力（σvM）均匀分布，小于 0.7 GPa；随着扭转角度增加（B2、B4 和 B6 束），高、低应力区域的划分逐渐明显，如 B6 束（扭转角度 600）在 58% 的部分出现了大于 1.9 GPa 的高应力集中。从微观变形来看，B0 束在弯曲时，中间部分在 x 方向塌陷，y 方向膨胀成椭圆形；而扭转后的 B2、B4 和 B6 束在弯曲时，x 和 y 方向厚度都有少量增加。在间隙表面面积方面，未扭转束在扭转和弯曲时，间隙表面大幅减小；而扭转束在弯曲时，间隙表面面积增加，扭转角度越大，增加越多，如 B2、B4 和 B6 束在 45° 弯曲后，间隙表面面积分别增加 1.16、0.91 和0.47μm2。此外，在弯曲过程中，束的势能先增加后减少，扭转角度越大，减少幅度越大；纵向张力方面，B6 束初始扭转角度最大，纵向张力超过 0.8 GPa，未扭转的 B0 束初始无张力，弯曲初期张力增加，扭转可抑制弯曲时张力的大幅增加。
• MWCNT 束在弯曲过程中外表面的纵向波动：在弯曲过程中，MWCNT 束中间的 MWCNTs 最初会被推向端点，当弯曲角度大于 10° 时，MWCNTs 会跟随束的弯曲变形。扭转角度越大，在弯曲过程中跟随 z 方向运动的 MWCNTs 数量越少，因为扭转束中 MWCNTs 之间的 z 方向滑动抑制了束的最大长度。未扭转束在弯曲时，MWCNTs 运动速度一致，而扭转束中各 MWCNT 的 z 方向动力学存在差异，扭转角度越大，滑动方向的波动越大，这种管间滑动集中在纵向，防止了 MWCNT 束的横向变形，确保了结构完整性。此外，未扭转束在弯曲时厚度分布均匀，而扭转束在弯曲时 MWCNTs 会集中在某些区域，如 B6 束在 y 方向厚度在 z 方向分数坐标 0.2 和 0.35 附近减小，这些区域更容易先发生弯曲。
• 初始扭转在防止弯曲过程中结构变形的作用：从微观角度来看，弯曲会对 MWCNTs 施加朝向束圆周凸面的压力。在未扭转束中，MWCNTs 在间隙内直接聚集，导致束在横向塌陷；而在扭转束中，MWCNTs 的错位使得间隙小于 MWCNT 束的投影，交叉节点相互阻止聚集，从而保持结构。扭转还会使束内产生偏角径向梯度，从束芯到表面偏角逐渐增加，如 B6 束表面区域的 MWCNT 偏角达到 17.5°。这种偏角梯度有效地防止了机械应力在径向的耗散，扭转还能抑制应力耗散，防止束的横截面积减小，确保 MWCNT 束在弯曲后仍保持圆形，间隙也得以保留。
• 高度变形束中局部间隙空间的统计估计：研究人员开发了一种统计方法来估计 CG 颗粒系统的局部间隙表面积。通过使用具有包含半径的虚拟球体计算相邻 CG 珠子的数量，发现紧密堆积的 MWCNTs 的包含半径小，间隙收缩成三角形；稀疏聚集的 MWCNTs 包含半径大，间隙大。对扭转束周长的计算验证了该方法的有效性，包含半径和间隙表面积在束端点的增加速率更高，两者的变化趋势在弯曲过程中一致，最大回归系数达到 0.947。

综合研究结论和讨论部分，这项研究利用粗粒化模型揭示了微米级 MWCNT 束在弯曲变形时的行为，为其在电化学应用中的力学性能提供了深入见解。扭转后的 MWCNT 束在弯曲时能保持更高的电阻率，且由于圆形横截面不易变形，能维持间隙表面积，这对保持束的电化学性能完整性至关重要。研究还发现预扭转过程中偏角的径向梯度可有效防止间隙聚集，增强了束的机械稳定性。同时，包含半径方法能有效监测纳米级间隙的变化。该研究从理论上为进一步优化电化学驱动的 MWCNT 束性能提供了机械方法，有望应用于调整 MWCNT 束在受复杂人体运动影响的电化学设备中的性能，确保其在动态条件下可靠运行，为未来医疗设备中 MWCNT 束的设计和应用开辟了新的道路，推动相关领域的进一步发展。