Un nuovo studio degli ingegneri del MIT, Caltech, e ETH Zürich mostra che i materiali "nanoarchitetti" - materiali progettati da strutture su nanoscala modellate con precisione - possono essere una strada promettente per armature leggere, rivestimenti protettivi, scudi esplosivi, e altri materiali resistenti agli urti.

I ricercatori hanno fabbricato un materiale ultraleggero realizzato con montanti in carbonio su scala nanometrica che conferiscono al materiale robustezza e robustezza meccanica. Il team ha testato la resilienza del materiale sparandogli microparticelle a velocità supersoniche, e ha scoperto che il materiale, che è più sottile della larghezza di un capello umano, impediva ai proiettili in miniatura di attraversarlo.

I ricercatori calcolano che rispetto all'acciaio, Kevlar, alluminio, e altri materiali resistenti agli urti di peso comparabile, il nuovo materiale è più efficiente nell'assorbire gli impatti.

"La stessa quantità di massa del nostro materiale sarebbe molto più efficiente nel fermare un proiettile rispetto alla stessa quantità di massa di Kevlar, " dice l'autore principale dello studio, Carlos Portela, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT.

Se prodotto su larga scala, questo e altri materiali nanoarchitettonici potrebbero essere progettati come più leggeri, alternative più dure al Kevlar e all'acciaio.

"La conoscenza di questo lavoro... potrebbe fornire principi di progettazione per materiali ultraleggeri resistenti agli urti [da utilizzare in] materiali per armature efficienti, rivestimenti protettivi, e scudi resistenti alle esplosioni desiderabili nelle applicazioni di difesa e spaziali, " afferma la coautrice Julia R. Greer, professore di scienze dei materiali, meccanica, e ingegneria medica al Caltech, il cui laboratorio ha condotto la fabbricazione del materiale.

Il gruppo, che riporta oggi i suoi risultati sulla rivista Materiali della natura , include David Veysset, Yuchen Sole, e Keith A. Nelson, dell'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT e del Dipartimento di Chimica, e Dennis M. Kochmann dell'ETH di Zurigo.

Da fragile a flessibile

Un materiale nanoarchitettonico è costituito da strutture modellate su scala nanometrica che, a seconda di come sono disposti, può conferire ai materiali proprietà uniche come leggerezza e resilienza eccezionali. Come tale, i materiali nanoarchitettonici sono visti come potenzialmente più leggeri, materiali più resistenti agli urti. Ma questo potenziale è stato in gran parte non testato.

"Sappiamo solo della loro risposta in un regime di deformazione lenta, considerando che gran parte del loro uso pratico è ipotizzato in applicazioni del mondo reale in cui nulla si deforma lentamente, "dice Portella.

Il team si è proposto di studiare materiali nano-architettati in condizioni di rapida deformazione, come durante gli impatti ad alta velocità. Al Caltech, hanno prima fabbricato un materiale nanoarchitettonico utilizzando la litografia a due fotoni, una tecnica che utilizza un veloce, laser ad alta potenza per solidificare strutture microscopiche in una resina fotosensibile. I ricercatori hanno costruito uno schema ripetitivo noto come tetracaidecaedro, una configurazione reticolare composta da puntoni microscopici.

"Storicamente questa geometria appare nelle schiume che mitigano l'energia, "dice Portela, che ha scelto di replicare questa architettura simile alla schiuma in un materiale di carbonio su scala nanometrica, impartire un flessibile, proprietà di assorbimento degli urti rispetto al materiale normalmente rigido. "Mentre il carbonio è normalmente fragile, la disposizione e le ridotte dimensioni dei puntoni nel materiale nanoarchitettonico danno luogo ad un gommoso, architettura dominata dalla piegatura."

Dopo aver modellato la struttura reticolare, i ricercatori hanno lavato via la resina rimanente e l'hanno messa in una fornace sottovuoto ad alta temperatura per convertire il polimero in carbonio, lasciando dietro di sé un ultraleggero, materiale nanoarchitettonico in carbonio.

Più veloce della velocità del suono

Per testare la resilienza del materiale a deformazioni estreme, il team ha eseguito esperimenti di impatto di microparticelle al MIT utilizzando test di impatto di particelle indotte da laser. La tecnica punta un laser ultraveloce attraverso un vetrino rivestito da una sottile pellicola d'oro, che a sua volta è ricoperto da uno strato di microparticelle, in questo caso, Particelle di ossido di silicio larghe 14 micron. Quando il laser passa attraverso la diapositiva, genera un plasma, o una rapida espansione del gas dall'oro, che spinge le particelle di ossido di silicio nella direzione del laser. Ciò fa sì che le microparticelle accelerino rapidamente verso il bersaglio.

I ricercatori possono regolare la potenza del laser per controllare la velocità dei proiettili di microparticelle. Nei loro esperimenti, hanno esplorato una gamma di velocità delle microparticelle, da 40 a 1, 100 metri al secondo, ben all'interno della gamma supersonica.

"Supersonico è qualsiasi cosa al di sopra di circa 340 metri al secondo, che è la velocità del suono nell'aria al livello del mare, " dice Portela. "Allora, alcuni esperimenti hanno raggiunto il doppio della velocità del suono, facilmente."

Utilizzando una fotocamera ad alta velocità, hanno catturato video delle microparticelle che hanno un impatto con il materiale nanoarchitettonico. Avevano fabbricato materiale di due diverse densità:il materiale meno denso aveva montanti leggermente più sottili dell'altro. Quando hanno confrontato la risposta all'impatto di entrambi i materiali, hanno scoperto che quello più denso era più resistente, e le microparticelle tendevano a incastrarsi nel materiale piuttosto che a lacerarsi.

Per dare un'occhiata più da vicino, i ricercatori hanno accuratamente tagliato le microparticelle incorporate e i materiali, e trovarono nella regione appena sotto una particella incorporata che i microscopici puntoni e travi si erano accartocciati e compattati in risposta all'impatto, ma l'architettura circostante è rimasta intatta.

"Mostriamo che il materiale può assorbire molta energia a causa di questo meccanismo di compattazione degli urti dei montanti su scala nanometrica, contro qualcosa che è completamente denso e monolitico, non nanoarchitettonico, "dice Portella.

interessante, il team ha scoperto di poter prevedere il tipo di danno che il materiale avrebbe subito utilizzando un quadro di analisi dimensionale per caratterizzare gli impatti planetari. Utilizzando un principio noto come teorema di Buckingham-Π, questa analisi tiene conto di varie grandezze fisiche, come la velocità di una meteora e la forza del materiale superficiale di un pianeta, calcolare una "efficienza di craterizzazione, " o la probabilità e la misura in cui una meteora scaverà un materiale.

Quando il team ha adattato l'equazione alle proprietà fisiche del loro film nanoarchitettonico e alle dimensioni e alle velocità delle microparticelle, hanno scoperto che il quadro potrebbe prevedere il tipo di impatto mostrato dai loro dati sperimentali.

Andando avanti, Portela afferma che la struttura può essere utilizzata per prevedere la resilienza all'impatto di altri materiali nano-architettati. Ha in programma di esplorare varie configurazioni nanostrutturate, così come altri materiali oltre al carbonio, e modi per aumentare la loro produzione, il tutto con l'obiettivo di progettare materiali protettivi più leggeri.

"I materiali nanoarchitetti sono davvero promettenti come materiali che attenuano l'impatto, " dice Portela. "Ci sono molte cose che non sappiamo ancora su di loro, e stiamo iniziando questo percorso per rispondere a queste domande e aprire la porta alle loro applicazioni diffuse".