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    I ricercatori mostrano che i materiali si rafforzano da soli quando vengono colpiti a velocità molto elevate

    Illustrazione schematica del test di impatto con microparticelle indotte dal laser Credito:US Army Research Laboratory

    I ricercatori dell'esercito e del MIT hanno avanzato un dispositivo sperimentale unico per testare meglio la durabilità di materiali polimerici robusti e ad alte prestazioni che sembrano rafforzarsi sotto l'attacco di un impatto rapido.

    Il dottor Alex Hsieh del laboratorio di ricerca dell'esercito, insieme al Prof. Keith A. Nelson, Dott. David Veysset e Dott. Steven Kooi, dall'Istituto dell'esercito per la nanotecnologia dei soldati al MIT, scoperto che quando i bersagli fatti di elastomeri di poli(uretano urea) o PUU vengono colpiti ad altissima velocità da microparticelle di silice, il target PUU mostra un comportamento iperelastico. Questo è, diventano estremamente rigidi quando deformati a velocità di deformazione dell'ordine di 108/s ? il che significa approssimativamente che il materiale del bersaglio si deforma alla metà del suo spessore originale in un tempo estremamente breve pari a un secondo diviso per cento milioni. Anche le PUU si riprendono dopo l'impatto, disse Hsieh.

    Il dispositivo di test utilizza un laser pulsato per sparare proiettili di dimensioni micrometriche su bersagli realizzati con PUU. I ricercatori hanno scoperto, per la prima volta, "comportamenti che contrastano notevolmente con la risposta all'impatto osservata in un elastomero polidimetilsilossano reticolato in cui le microparticelle sono penetrate nel bersaglio e il materiale bersaglio non si è ripreso o si è completamente ripreso".

    Gli scienziati affermano che la loro scoperta sugli elastomeri sfusi può aiutare a progettare materiali di matrice per compositi per la futura generazione di elmetti da combattimento dell'esercito americano. L'elmetto da combattimento potenziato dell'esercito utilizza polietilene ad altissimo peso molecolare ad alte prestazioni o compositi a base di fibre UHMWPE. Queste fibre hanno un'elevata resistenza alla rottura, per unità di area della sezione trasversale, circa quindici volte più resistenti dell'acciaio ma flessibili come i tessuti.

    I design dei materiali per armature tradizionali includono ceramica, metalli e compositi rinforzati con fibre leggere per la protezione di soldati e veicoli che si basano tipicamente sulla rigidità ? la resistenza di un materiale alla deformazione ? e tenacia? la capacità di assorbire energia e deformarsi plasticamente prima della frattura.

    Contrasto tra la risposta all'impatto ad alta velocità di deformazione osservata in (a) PUU e (b) elastomeri polidimetilsilossano sotto l'impatto di microparticelle indotte da laser Credito:US Army Research Laboratory

    Ma dal punto di vista della scienza dei materiali, queste metriche standard di massa da sole non sono sufficienti per quantificare quanto velocemente le molecole in un solido polimerico possono cambiare la loro mobilità rispetto al tasso di deformazione, né la propensione al cambiamento del loro rispettivo stato fisico durante la deformazione dinamica? vale a dire gli elastomeri potrebbero cambiare da simile alla gomma a simile al vetro quando vengono deformati a velocità crescenti?

    Hsieh ha detto che il team si è concentrato sui polimeri, che sono costituiti da un numero molto elevato di piccole unità molecolari che sono legate insieme per formare catene molto lunghe, che può essere ben organizzato o confezionato in modo casuale. Nello specifico, materiali polimerici resistenti come gli occhiali di sicurezza antiurto o flessibili come le gomme. Gli elastomeri sono una classe di gomme artificiali, che può essere sintetizzato da un'ampia gamma di sostanze chimiche polimeriche. "Hanno generalmente un basso modulo di Young che significa bassa resistenza alla deformazione elastica sotto carico in condizioni ambientali, e maggiore ceppo fallimento? la capacità di sostenere una quantità significativamente maggiore di sforzo prima del fallimento? rispetto alla maggior parte dei materiali plastici, " Lui ha spiegato.

    Per convalidare ulteriormente l'influenza molecolare, il team ha condotto studi approfonditi sulle PUU insieme a un policarbonato vetroso. Mentre il policarbonato è noto per la sua elevata tenacità alla frattura e resistenza balistica, questi PUU, indipendentemente dalla loro rispettiva composizione, hanno mostrato un maggiore irrigidimento dinamico durante l'impatto a velocità di deformazione dell'ordine di 108/s. Per di più, la resistenza alla penetrazione della microparticella può essere ottimizzata, cioè una riduzione di ~ 50% della profondità massima media di penetrazione è stata ottenuta semplicemente variando la composizione molecolare delle PUU.

    "Questo è molto eccitante." ha detto il Dr. Hsieh "Vedere per credere. Nuova comprensione da queste scoperte di ricerca - l'essenza del fenomeno iperelastico negli elastomeri sfusi, in particolare al momento dell'interazione bersaglio/impulso? nuovo paradigma di design per materiali robusti."

    È noto che le PUU hanno una microstruttura complessa insieme a un'ampia gamma di tempi di rilassamento, le caratteristiche utilizzate per riflettere l'efficienza con cui le molecole nelle catene polimeriche rispondono a un impulso esterno. Nello specifico, per molecole PUU con tempi di rilassamento più lunghi dell'ordine dei microsecondi in condizioni ambientali, per esempio., dinamica più lenta, consentendo un irrigidimento dinamico, mentre quelli con tempi di rilassamento di nanosecondi in condizioni ambientali erano in grado di fornire un ulteriore assorbimento di energia verso il rafforzamento dinamico. Queste caratteristiche viscoelastiche mostrano che gli elastomeri così come altri materiali polimerici possono deformarsi in modi diversi a seconda della velocità con cui vengono deformati.

    Immagine al microscopio elettronico a scansione che rivela un rientro permanente sulla superficie del policarbonato in contrasto con le PUU in cui non è stato osservato alcun danno dopo l'impatto di microparticelle di silice. Credito:Laboratorio di ricerca dell'esercito americano

    Il team ha ipotizzato che un meccanismo di rilassamento molecolare cooperativo ? simile a un fenomeno di risonanza di moti molecolari "a catena" ciascuno oscillante a frequenze specifiche per dissipare l'energia assorbita. Queste caratteristiche dinamiche di rafforzamento e irrigidimento potrebbero presumibilmente essere agevolate dal legame idrogeno intermolecolare presente in tutta la rete reticolata fisicamente nelle PUU. In contrasto, il rilassamento del microsecondo in condizioni ambientali non è presente nel policarbonato né il legame idrogeno e il corrispondente meccanismo molecolare abilitante sono disponibili nel policarbonato, nonostante la sua robustezza e resistenza agli urti. Così, PUU o elastomeri ad alte prestazioni con tempi di rilassamento multipli sono molto desiderati e fondamentali per consentire sia il rafforzamento dinamico che l'irrigidimento dinamico su una scala temporale da microsecondi a nanosecondi.

    Queste osservazioni uniche sono state elaborate in un articolo pubblicato di recente in Polimero , 123 (2017) 30-38.

    Nel frattempo, materiali come il poliuretano, simile a PUU, poiché gli elastomeri matrice hanno prestazioni migliori contro la deformazione della faccia posteriore riscontrata nei compositi UHMWPE leggeri. Questo è essenzialmente l'instabilità del materiale all'interno degli elmetti da combattimento che trasferiscono grandi forze al cranio e causano traumi da impatto contundente. PUU, poliuretani ed elastomeri simili, Hsieh ha detto, che mostrano un rafforzamento dinamico in deformazioni ad alta velocità e riducono significativamente la deformazione del casco sotto impatto, per l'integrazione con fibre di ultima generazione, può essere di grande beneficio per i futuri elmetti da combattimento.

    Oltre ai caschi da combattimento, altre potenziali applicazioni di robusti elastomeri ad alte prestazioni per la protezione del soldato includono, a titolo esemplificativo, visiere trasparenti, visiere per mandibola, giubbotti balistici, equipaggiamento protettivo per le estremità, e stivali da combattimento resistenti alle esplosioni.

    Si prevede inoltre che questa scoperta di ricerca sul fenomeno iperelastico delle PUU, particolarmente al momento dell'urto ad altissima velocità, attraversa anche ambiti prevedibili come la protezione dei giocatori di calcio professionisti e dei giovani atleti contro le commozioni cerebrali o qualsiasi altra lesione cerebrale causata da collisioni. Dal punto di vista del design dei materiali, elastomeri robusti ad alte prestazioni possono essere utilizzati come strati più esterni del casco o semplicemente per sostituire la calotta in policarbonato, disse Hsieh.


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