美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）碳材料與復合材料研究團隊通過模擬500萬個原子的行為，開發出一種創新工藝——通過聚丙烯腈（PAN）納米纖維增強層，使碳纖維復合材料兼具更高強度與更低成本。研究團隊結合基礎科學與分子動力學模擬，利用"前沿"（Frontier）超級計算機，在原子尺度揭示了該增強機制的工作原理。這項發表于《先進功能材料》的研究成果，將為飛機、汽車等需要超強輕質材料的制造領域帶來革命性突破。

碳纖維復合材料由比發絲更細的碳纖維束嵌入聚合物基體制成。雖然碳纖維本身強度極高，但其與聚合物基體的界面結合相對薄弱。

ORNL國家計算科學中心博士后研究員Tanvir Sohail解釋："碳纖維復合材料的失效通常始于碳纖維與聚合物基體的界面。通過引入PAN納米纖維界面層，我們能將應力從碳纖維重新分配至周圍聚合物，從而改善載荷分布并提升整體強度。"

該增強工藝采用靜電紡絲技術，利用電場和紡絲滾筒制備直徑不超過10納米的PAN納米纖維束（作為參照，一張普通紙張厚度約為10萬納米）。

由于碳纖維制造與測試成本高昂，大量物理實驗往往耗時費力。而超級計算能極大加速材料篩選過程，指導實驗方向——盡管原子級模擬本身也需消耗巨大算力。

"碳纖維原子密度極高，分子動力學模擬需要追蹤數百萬甚至數十億原子的行為，"領導"前沿"模擬的ORNL計算科學家Swarnava Ghosh表示。團隊通過"所長自由支配"項目獲得"前沿"超級計算機少量機時，成功構建了包含500萬原子的PAN納米纖維增強碳纖維復合材料模型，首次實現了不依賴任何假設或簡化計算的完整塊體PAN納米纖維-聚合物體系全原子模擬。

模擬顯示，直徑約6納米的PAN納米纖維性能最優——更細的纖維能在界面處更均勻排列，從而同時提升機械強度和應力傳遞效率。

基于此突破，團隊計劃通過"計算創新影響理論與實驗"（INCITE）項目申請更多機時，并引入人工智能技術拓展對多功能先進復合材料的研究。Ghosh強調："我們的目標不僅是讓材料更強，還要更智能、更高效。這項強化碳纖維的技術可推廣至其他關鍵工業材料。"

該研究團隊還包括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"超級計算機坐落于橡樹嶺領導力計算設施（OLCF）——美國能源部科學辦公室下屬用戶設施。