碳纖維具有輕質、高機械強度和高耐熱性的優異特性，可廣泛應用于各種高精尖領域，包括汽車制造、航空航天和核工程。

碳纖維通過聚合物前體，經紡絲、穩定化和碳化等一系列過程制備。然而，當聚合物基質中存在不明確的區域時，制得的碳纖維內含無序取向的缺陷，對于高質量碳纖維的生產，這一直是個很大的阻礙。

為解決這個問題，研究人員提出可引入碳納米管(CNT)以增強聚合物的取向和結晶。然而，盡管明白了CNT-聚合物界面的取向幾何形狀對所生產碳纖維的質量有明顯影響，但迄今為止，人們對CNT-聚合物界面的原子理解仍十分有限，這阻礙了碳纖維進一步的發展。

為了闡明CNT-聚合物相互作用的性質，來自能源、環境、水和可持續發展研究生院的Yong-Hoon Kim教授和他的團隊，采用了多尺度方法對CNT-聚合物界面進行研究，這種方法結合了第一原理密度泛函理論（DFT）計算和力場分子動力學（MD）模擬，揭示了聚合物-CNT界面獨特結構和電子特性。

他們對聚丙烯腈（PAN）-CNT（作為聚合物-CNT復合材料的代表）的混合結構進行了模擬研究。丙烯腈是碳纖維生產中最常見的聚合物前體，占碳纖維產量的90％以上。

DFT計算結果表明，平鋪分布的PAN相較垂直分布的PAN，前者提供的PAN-CNT結合能更大。最大化平鋪分布的PAN前體能讓PAN在CNT上線性對準，從而實現預期的有序長程PAN-PAN包裝。

他們還將CNT曲率確定為影響碳纖維質量的另一重要因素，給出零曲率石墨烯極限下PAN-CNT結合能最大的結果。在大量MD模擬后，發現石墨烯納米帶誘導吸附在石墨烯上的PAN，表現出排列具有很高的傾向性，證明石墨烯納米帶是一種很有前途的碳納米增強候選物。

Kim教授說：“這項研究可以成為一個典型案例，其中量子力學模擬確定了開發先進材料的基本原則。模擬理論和計算機性能在進步，計算機模擬研究在材料設計開發中將發揮更大的作用。”