Secondo l'antica tradizione, Gengis Khan ordinò ai suoi cavalieri di indossare giubbotti di seta sotto l'armatura per proteggersi meglio da un assalto di frecce durante la battaglia. Fin dai tempi di Khan, l'armatura si è notevolmente evoluta:la seta ha lasciato il posto a materiali ultra-duri che agiscono come pareti impenetrabili contro la maggior parte delle munizioni. Però, anche questa armatura può fallire, in particolare se viene colpito da munizioni ad alta velocità o altri oggetti in rapido movimento.

I ricercatori della Texas A&M University hanno formulato una nuova ricetta che può prevenire i punti deboli nelle armature moderne. Aggiungendo una piccola quantità dell'elemento silicio al carburo di boro, un materiale comunemente usato per realizzare armature, hanno scoperto che gli attrezzi resistenti ai proiettili potevano essere resi sostanzialmente più resistenti agli impatti ad alta velocità.

"Negli ultimi 12 anni, i ricercatori hanno cercato modi per ridurre i danni causati dall'impatto di proiettili ad alta velocità su armature realizzate con carburo di boro, " ha detto il dottor Kelvin Xie, ricercatore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Il nostro lavoro risponde finalmente a questa esigenza insoddisfatta ed è un passo avanti nella progettazione di giubbotti antiproiettile superiori che salvaguarderanno da armi da fuoco ancora più potenti durante il combattimento".

Questo studio è stato pubblicato nel numero di ottobre della rivista Progressi scientifici .

carburo di boro, soprannominato "diamante nero, "è un materiale artificiale, che è al secondo posto sotto un altro materiale sintetico chiamato nitruro di boro cubico per durezza. A differenza del nitruro di boro cubico, però, il carburo di boro è più facile da produrre su larga scala. Anche, il carburo di boro è più duro e leggero di altri materiali per armature come il carburo di silicio, che lo rende una scelta ideale per l'equipaggiamento protettivo, giubbotti balistici in particolare.

Nonostante le molte qualità desiderabili del carburo di boro, il suo principale difetto è che può danneggiare molto rapidamente in caso di impatto ad alta velocità.

"Il carburo di boro è davvero bravo a fermare i proiettili che viaggiano sotto i 900 metri al secondo, e quindi può bloccare i proiettili dalla maggior parte delle pistole in modo abbastanza efficace, " disse Xie. "Ma al di sopra di questa velocità critica, il carburo di boro perde improvvisamente le sue prestazioni balistiche e non è altrettanto efficace."

Gli scienziati sanno che i sobbalzi ad alta velocità fanno sì che il carburo di boro abbia trasformazioni di fase, un fenomeno in cui un materiale cambia la sua struttura interna in modo tale che si trovi in ​​due o più stati fisici, come liquido e solido, allo stesso tempo. L'impatto del proiettile converte quindi il carburo di boro da uno stato cristallino in cui gli atomi sono sistematicamente ordinati a uno stato simile al vetro in cui gli atomi sono disposti a casaccio. Questo stato simile al vetro indebolisce l'integrità del materiale nel punto di contatto tra il proiettile e il carburo di boro.

"Quando il carburo di boro subisce una trasformazione di fase, la fase vetrosa crea un'autostrada per la propagazione delle crepe, " disse Xie. "Allora, qualsiasi danno locale causato dall'impatto di un proiettile viaggia facilmente attraverso il materiale e provoca danni progressivamente maggiori".

Il lavoro precedente utilizzando simulazioni al computer prevedeva che l'aggiunta di una piccola quantità di un altro elemento, come il silicio, aveva il potenziale per rendere meno fragile il carburo di boro. Xie e il suo gruppo hanno studiato se l'aggiunta di una piccola quantità di silicio riducesse anche la trasformazione di fase.

Per simulare l'impatto iniziale di un proiettile ad alta velocità, i ricercatori hanno fatto ammaccature ben controllate su campioni di carburo di boro con una punta di diamante, la cui larghezza è inferiore a un capello umano. Quindi, sotto un microscopio elettronico ad alta potenza, guardarono il danno microscopico che si era formato dai colpi.

Xie e i suoi collaboratori hanno scoperto che anche con piccole quantità di silicio, l'entità della trasformazione di fase è diminuita del 30%, riducendo notevolmente il danno dalla rientranza.

Sebbene il silicio serva bene per migliorare le proprietà del carburo di boro, Xie ha spiegato che sono necessari ulteriori esperimenti per sapere se altri elementi, come il litio e l'alluminio, potrebbe anche migliorare le prestazioni del carburo di boro.

Nel futuro prossimo, Xie prevede che questi cugini più forti del carburo di boro puro troveranno altre applicazioni non militari. Uno di questi usi è negli scudi nucleari. Ha detto che l'uso di un tocco di silicio nel carburo di boro modifica la spaziatura tra gli atomi e gli spazi vuoti creati potrebbero essere buoni siti per assorbire le radiazioni dannose dai reattori nucleari.

"Proprio come in cucina, dove una piccola spruzzata di spezie può aumentare notevolmente il sapore, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " Xie said.