CAREER: Multi-scale Mechanical Behavior of Quantum Dot Nanocomposites: Towards Data-driven Automatic Discovery of High-performance Structures

职业:量子点纳米复合材料的多尺度机械行为:迈向数据驱动的高性能结构的自动发现

基本信息

  • 批准号:
    2145604
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 59.93万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2027-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This Faculty Early Career Development (CAREER) grant will support fundamental research on processing-structure-mechanics relationships in thermosetting nanocomposites containing ultrasmall two-dimensional quantum dot nanoparticles. Thermosetting polymers are used by aerospace, defense, transportation, electronics, and many other industries. Moreover, fiber reinforced thermoset composites dominate high-performance structural applications. Despite their common use, thermosets are brittle. Quantum dot nanoparticles, on the other hand, simultaneously enhance the toughness and strength of the thermosets. Yet, we don’t know how the ultrasmall two-dimensional particles enhance mechanical properties of the thermosets. The researched project will reveal the molecular origins of these enhancements using systematic simulations and experiments. This new knowledge is potentially transformative because quantum dots can enhance all the other larger-scale-filler composites, such as continuous fiber, graphene, and carbon nanotube composites. The education objective is to create open-source virtual reality engineering education tools and cultivate creative engineers. Unique collaborative design projects are planned to enhance student creativity that can impact innovation potential of the next-generation engineers. Outreach activities will also be performed in the elementary/high schools that serve underrepresented groups in the Silicon Valley.This study will improve our understanding of molecular level damage/deformation mechanisms as well as macroscopic fracture behavior of quantum dot nanocomposites. A specific focus is given to unique sub-20 nm structures containing up to three different quantum dot sizes that can react with thermosets and with each other. During this CAREER award, a combination of experimental, theoretical, computational, and informatics approaches will be used to answer: (a) How do quantum dot nanocomposites deform and break? (b) What are their main toughening mechanisms? The research objectives are to (i) reveal the load transfer and debonding mechanisms, (ii) identify the plastic deformation, damage initiation, and damage accumulation mechanisms, and (iii) observe, quantify, and model the toughening mechanisms in thermosets containing multi-modal size quantum dots below 20 nm. To achieve these objectives, molecular dynamics synthesis and mechanical tests will be performed. Positron annihilation time spectroscopy, in-situ Raman spectroscopy, in-situ synchrotron X-ray characterization, and ex-situ mechanical tests will be performed. A molecular dynamics-informed multi-scale model will be used to quantify the toughening behavior. In addition, a new atomistic data-driven predictive framework will be created to quickly discover nanocomposites with high mechanical performance.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该学院早期职业发展(CAREER)资助将支持包含超小二维量子点纳米颗粒的热固性纳米复合材料中加工-结构-力学关系的基础研究。热固性聚合物用于航空航天、国防、运输、电子和许多其他行业。此外,纤维增强热固性复合材料在高性能结构应用中占主导地位。尽管热固性塑料很常见,但它们很脆。另一方面,量子点纳米颗粒同时增强热固性材料的韧性和强度。然而,我们不知道超小的二维颗粒如何增强热固性材料的机械性能。该研究项目将使用系统的模拟和实验揭示这些增强的分子起源。这项新知识具有潜在的变革性,因为量子点可以增强所有其他更大规模的填料复合材料,例如连续纤维、石墨烯和碳纳米管复合材料。教育目标是创建开源的虚拟现实工程教育工具,培养创造性的工程师。独特的协作设计项目计划,以提高学生的创造力,可以影响下一代工程师的创新潜力。本研究将增进我们对量子点纳米复合材料的分子水平损伤/变形机制以及宏观断裂行为的理解。一个特定的重点是独特的亚20纳米结构,包含多达三个不同的量子点大小,可以与热固性材料和彼此反应。在这个CAREER奖期间,实验,理论,计算和信息学方法的结合将被用来回答:(a)量子点纳米复合材料如何变形和断裂?(b)它们的主要增韧机制是什么? 研究目标是(i)揭示载荷传递和脱粘机制,(ii)识别塑性变形,损伤引发和损伤累积机制,以及(iii)观察,量化和建模的增韧机制在热固性材料含有多模态尺寸小于20 nm的量子点。为了实现这些目标,将进行分子动力学合成和机械测试。将进行正电子湮没时间光谱、原位拉曼光谱、原位同步加速器X射线表征和非原位机械测试。将使用分子动力学多尺度模型来量化增韧行为。此外,还将创建一个新的原子数据驱动的预测框架,以快速发现具有高机械性能的纳米复合材料。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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知道了