美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）研究人员通过聚丙烯腈（PAN）纳米纤维增强技术，成功使碳纤维复合材料的抗拉强度提升至原先的两倍。这种纳米纤维的直径仅为人发丝的1/100（约500纳米）。图片来源：美国能源部橡树岭国家实验室Carlos Jones
美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）碳材料与复合材料研究团队通过模拟500万个原子的行为，开发出一种创新工艺——通过聚丙烯腈（PAN）纳米纤维增强层，使碳纤维复合材料兼具更高强度与更低成本。研究团队结合基础科学与分子动力学模拟，利用"前沿"（Frontier）超级计算机，在原子尺度揭示了该增强机制的工作原理。这项发表于《先进功能材料》的研究成果，将为飞机、汽车等需要超强轻质材料的制造领域带来革命性突破。
碳纤维复合材料由比发丝更细的碳纤维束嵌入聚合物基体制成。虽然碳纤维本身强度极高，但其与聚合物基体的界面结合相对薄弱。
ORNL国家计算科学中心博士后研究员Tanvir Sohail解释："碳纤维复合材料的失效通常始于碳纤维与聚合物基体的界面。通过引入PAN纳米纤维界面层，我们能将应力从碳纤维重新分配至周围聚合物，从而改善载荷分布并提升整体强度。"
该增强工艺采用静电纺丝技术，利用电场和纺丝滚筒制备直径不超过10纳米的PAN纳米纤维束（作为参照，一张普通纸张厚度约为10万纳米）。
由于碳纤维制造与测试成本高昂，大量物理实验往往耗时费力。而超级计算能极大加速材料筛选过程，指导实验方向——尽管原子级模拟本身也需消耗巨大算力。
"碳纤维原子密度极高，分子动力学模拟需要追踪数百万甚至数十亿原子的行为，"领导"前沿"模拟的ORNL计算科学家Swarnava Ghosh表示。团队通过"所长自由支配"项目获得"前沿"超级计算机少量机时，成功构建了包含500万原子的PAN纳米纤维增强碳纤维复合材料模型，首次实现了不依赖任何假设或简化计算的完整块体PAN纳米纤维-聚合物体系全原子模拟。
模拟显示，直径约6纳米的PAN纳米纤维性能最优——更细的纤维能在界面处更均匀排列，从而同时提升机械强度和应力传递效率。
基于此突破，团队计划通过"计算创新影响理论与实验"（INCITE）项目申请更多机时，并引入人工智能技术拓展对多功能先进复合材料的研究。Ghosh强调："我们的目标不仅是让材料更强，还要更智能、更高效。这项强化碳纤维的技术可推广至其他关键工业材料。"
该研究团队还包括Sumit Gupta, Marti Checa, Michael Toomey, Logan Kearney, Rajni Chahal, Sargun Singh Rohewal, Nihal Kanbargi, Liam Collins, David McConnell, Ilia N. Ivanov, Amit K. Naskar和Christopher Bowland。ORNL的"前沿"超级计算机坐落于橡树岭领导力计算设施（OLCF）——美国能源部科学办公室下属用户设施。