Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato un nuovo modo per studiare le fibre ad alte prestazioni utilizzate nelle moderne armature. Descritto nel Journal of Polymer Science , la ricerca può aiutare ad aumentare la fiducia nell'abbigliamento che protegge le unità militari, dipartimenti di polizia e personaggi pubblici dagli spari. Può anche portare allo sviluppo di nuovi, materiali più leggeri per l'armatura in futuro.

Le fibre polimeriche ad alte prestazioni sono utilizzate nelle applicazioni balistiche da oltre 40 anni. Tradizionalmente, queste fibre vengono intrecciate insieme in un tessuto e quindi stratificate 15-20 volte per creare un gilet con uno spessore compreso tra circa 6 e 13 millimetri (da un quarto a mezzo pollice). Sebbene sia efficace nel fermare o rallentare i proiettili, gli utenti a volte hanno trovato questi giubbotti, che vengono indossati sotto o sopra i vestiti, essere pesanti e ingombranti, come indossare da 15 a 20 camicie contemporaneamente in una calda giornata estiva. Molti vorrebbero un'alternativa più comoda.

La sperimentazione di giubbotti antiproiettile è stata una grande preoccupazione perché lo spiegamento di un nuovo tipo di fibra, ritenuto superiore al materiale precedente, è fallito inaspettatamente nel 2003, con conseguente morte di un agente di polizia. Questo e altri incidenti hanno portato a un richiamo del 2005 di alcuni dei giubbotti realizzati con il nuovo materiale.

Sebbene le prestazioni di questi giubbotti fossero superiori quando erano appena usciti dalla scatola e in ottime condizioni, test successivi hanno mostrato che le proprietà meccaniche delle fibre all'interno dei giubbotti hanno cominciato a deteriorarsi dopo alcuni mesi di normale usura. I nuovi giubbotti sono stati infine rimossi completamente dal mercato e il produttore è stato citato in giudizio dal Dipartimento di Giustizia (DOJ).

Il DOJ ha arruolato il NIST per aiutare a valutare il problema e determinare il motivo per cui questi giubbotti stavano fallendo. Come laboratorio di misurazione della nazione, I ricercatori del NIST sono particolarmente qualificati per sviluppare modi per caratterizzare sia le fibre che il loro eventuale deterioramento.

"Le fibre in queste applicazioni balistiche non possono fallire [sul campo], periodo, " disse Gale Holmes, un ingegnere di ricerca sui materiali al NIST. "Ma prima, non avevamo modo di sapere se stavano cambiando nel tempo mentre le persone le indossavano e le usavano."

Le proprietà meccaniche ideali per questi giubbotti e altri attrezzi includono una combinazione di elevata rigidità, grande resistenza alla trazione, e un significativo ceppo a rottura per assorbire l'impatto del proiettile. Il lavoro iniziale di Holmes ha rivelato che la naturale piegatura e piegatura che un gilet dovrebbe normalmente incontrare durante l'uso ha portato a un significativo degrado di queste proprietà meccaniche critiche, soprattutto in ambienti umidi.

Mentre il degrado delle proprietà meccaniche era evidente, ciò che mancava era una tecnica analitica per caratterizzare le differenze strutturali o chimiche nelle fibre che avrebbero giustificato la loro perdita di prestazioni. Sebbene non ci sia materiale che possa essere completamente "a prova di proiettile" in ogni circostanza, i ricercatori volevano un modo per caratterizzare i materiali per la loro capacità variabile di mitigare l'impatto di un proiettile, soprattutto dopo l'uso sul campo.

Il metodo di caratterizzazione selezionato da Holmes e Christopher Soles al NIST ha fatto uso di un intenso fascio di positroni presso il reattore nucleare PULSTAR della North Carolina State University.

La tecnica della spettroscopia a vita di annichilazione di positroni (PALS) fornisce una visione a livello molecolare della struttura dei materiali. È stato utilizzato per testare materiali in altri settori, comprese le membrane porose e gli isolanti a semiconduttore. Per questo lavoro, i positroni sono stati iniettati nelle fibre balistiche e hanno permesso ai ricercatori di determinare se si fossero creati vuoti durante la piegatura su una scala inferiore a 5 nanometri.

Usando PALS, Holmes e Soles hanno scoperto che i livelli di vuoto sono indicatori molto sensibili del danno subito dalle fibre dopo la piegatura; una più ampia popolazione di vuoti significa una migliore possibilità di guasto della fibra. Il team in precedenza sospettava che la creazione di vuoti fosse una componente critica del degrado meccanico, ma le misurazioni di diffusione dei raggi X ad angolo ridotto che erano state utilizzate in passato tendevano ad essere meno sensibili ai vuoti inferiori a 5 nanometri e si sono rivelate inconcludenti. Il danno critico si stava verificando su scale di lunghezza molto più sottili.

"Ci ha permesso di caratterizzare cambiamenti nelle fibre che non puoi vedere con altre tecniche, "Ha detto Holmes. "Siamo rimasti sorpresi durante la nostra ricerca di quanto fosse sensibile la tecnica".

"Prima, non abbiamo avuto un buon modo per discriminare perché alcuni materiali si sono rotti durante i test di piegatura e altri no, " ha affermato Soles. "Questo è il primo strumento di caratterizzazione dei materiali che fornisce informazioni sul motivo per cui alcuni materiali possono essere piegati e mantenere ancora la loro forza".

I risultati possono fungere da spunto di progettazione per coloro che desiderano sviluppare nuove alternative all'attuale armatura. Può anche aiutare a mettere a punto la quantità di fibre attualmente prescritta per questi prodotti, creando giubbotti più comodi.