I materiali per applicazioni aerospaziali affrontano molte sfide. La struttura di un aereo deve essere leggera ma robusta. I componenti strutturali come le ali o la fusoliera devono resistere ai danni e allo stesso tempo in alcune aree essere in grado di sopportare le alte temperature dovute allo scarico del motore. I componenti elettronici di un aeroplano devono inoltre essere schermati da sovratensioni elettriche dovute a fulmini o altre interferenze.

Lo sviluppo di nuovi materiali che soddisfino queste molteplici esigenze è ciò su cui ha lavorato l'assistente professore Anamika Prasad del Dipartimento di ingegneria meccanica della South Dakota State University in collaborazione con il gruppo di ricerca sui materiali presso la base aeronautica di Wright-Patterson.

Prasad ha ricevuto una borsa di studio di otto settimane per il laboratorio di ricerca dell'aeronautica americana la scorsa estate per lavorare con la direzione dei materiali e della produzione e sta continuando la sua ricerca sui compositi a base di MXene attraverso una seconda borsa di studio questa estate. Il programma di borse di studio, patrocinato dall'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, costruisce relazioni con la scienza a tempo pieno, facoltà di matematica e ingegneria presso i college e le università statunitensi offrendo loro l'opportunità di svolgere ricerche presso un laboratorio di ricerca dell'aeronautica.

"È stata un'esperienza collaborativa straordinaria lavorare a fianco di scienziati AFRL e borsisti estivi (facoltà e studenti), " disse Prasad, la cui ricerca presso SDSU si concentra sull'utilizzo di strutture ispirate alle piante per progettare e produrre materiali compositi.

Le facoltà normalmente svolgono ricerche in loco, ma la pandemia di COVID-19 ha portato Prasad a lavorare in remoto e ha spostato l'attenzione sull'analisi computazionale di MXenes, una nuova classe di materiali ingegneristici bidimensionali. Un documento che descrive i risultati della loro ricerca dell'estate 2020 è in fase di revisione da parte del MRS Bulletin Impact.

L'ingegnere dei materiali di ricerca AFRL Dhriti Nepal ha dichiarato:"È un grande piacere lavorare con il professor Prasad. Le sue intuizioni sulle strutture bioispirate per la meccanica e la modellazione multiscala sono state eccezionalmente preziose per la progettazione di compositi di prossima generazione".

Puntare sulla multifunzionalità

I materiali di ingegneria cadono in genere in singoli secchi, ha detto Prasad. "Se vogliamo materiali resistenti, scegliamo un metallo; se vogliamo un materiale progettato per flessibilità e bassa densità, scegliamo un polimero o una plastica; se vogliamo un'elevata resistenza e resistenza al calore, scegliamo una ceramica." Tuttavia, per applicazioni aerospaziali, l'accento è posto sui materiali multifunzionali.

"La multifunzionalità è integrata nei sistemi naturali, " Ha detto Prasad. Le piante a crescita rapida devono essere flessibili ma mantenere una resistenza ottimale e fornire un percorso resiliente per la gestione dell'acqua e del calore man mano che la struttura cresce. I gusci e gli esoscheletri sono esempi di materiali con un buon equilibrio tra tenacità e resistenza pur mantenendo le proprietà, come la levigatezza superficiale per la difesa dai parassiti.

MXene, pronunciato come il nome Maxine, scoperto nel 2011 alla Drexel University, ha combinazioni di proprietà uniche. Può essere trasformato in film sottili altamente conduttivi e resistenti in strati di pochi atomi, simile al grafene. "Questo nuovo materiale bidimensionale ha una resistenza molto elevata in un aereo quando lo si tira ed è molto conduttivo e resistente al calore, "Ha detto Prasad.

A differenza del singolo atomo (carbonio) del grafene, La struttura a strati 2D di MXene può avere un'ampia gamma di composizioni, dove M sta per metallo di transizione precoce, come il titanio o il cromo, e X sta per carbonio e/o azoto. "Perché i composti non sono solo un singolo elemento, possiamo giocare con loro, funzionalizzando gli strati superficiali per diverse applicazioni, " Ha detto Prasad. Altri ricercatori stimano che più di un milione di composti in lega MXene debbano ancora essere scoperti.

Però, i film di puro MXene hanno un sottile, struttura traballante che rende difficile creare una combinazione composita che mantenga le proprietà uniche fornendo allo stesso tempo una durabilità strutturale. "Se aggiungi polimero a MXenes per formare un composito, fornisce stabilità strutturale, ma i compositi possono perdere la loro principale funzionalità di conducibilità. Per renderli utili, dobbiamo trovare percorsi di design composito che non alterino le loro proprietà uniche, "Ha detto Prasad.

Il ricercatore chimico dell'AFRL Vikas Varshney ha affermato:"Combinare la multifunzionalità con la fattibilità strutturale in tali compositi è cruciale per una serie di applicazioni strutturali dell'Aeronautica Militare. Lavorando con il Dr. Prasad, abbiamo in programma di modellare ed esplorare quanto più spazio possibile delle fasi verso la comprensione del ruolo di diversi parametri compositi nel governare le loro proprietà strutturali, alla fine guidando gli sperimentatori verso lo sviluppo di materiali compositi multifunzionali strutturalmente sani."

Analisi delle strutture MXene

Prasad ha confrontato la struttura del sottile, singole compresse traballanti di compositi MXene-polimero ai mattoni stratificati e alla struttura di malta presente in alcuni sistemi naturali come mezzo per trarre ispirazione per il design composito.

"Molte conchiglie, Per esempio, hanno internamente una struttura in laterizio in cui mattoni o tegole sono poligoni e sono rigidi. Tutte le piastrelle sono disperse all'interno di una malta polimerica, che lega le piastrelle e permette loro di cedere o flettere, " lei disse.

Le piastrelle stesse hanno un aspetto ondulato, struttura ruvida, Prasad continuò. Questa irregolarità fa sì che le piastrelle si incastrino. "Quando si verifica una crepa, percorre il percorso a zigzag attraverso il polimero simile a una malta, che fornisce giunti sacrificali che si rompono per dargli (il pezzo) ulteriore resistenza e tenacità alla frattura."

La scorsa estate, lei e il suo team AFRL hanno analizzato i compositi naturali per capire come le loro caratteristiche di design uniche potrebbero essere applicate a MXenes. Quest'estate, ha continuato le attività per sviluppare simulazioni per modellare compositi basati su MXene e interazioni di superficie.

"Vogliamo prevedere la loro risposta su macroscala da ciò che sta accadendo a livello atomico nella progettazione dei materiali, " Prasad. A partire da questo autunno, senior senior in ingegneria meccanica Jordan VonSeggern di Elk Point, Sud Dakota, si unirà al suo gruppo di ricerca per continuare a sviluppare il modello attraverso uno stage sostenuto dall'AFRL.

Attraverso la sua collaborazione con i ricercatori AFRL, Prasad ha "trovato un gruppo di persone che sono davvero di supporto e mi hanno aiutato a esplorare nuove idee". Ha intenzione di continuare ad applicare ciò che ha appreso sui compositi a base di MXene alla sua ricerca presso SDSU.

"Posso creare materiali compositi a base di MXene e funzionalizzare gli strati per fornire la capacità di percepire la crescita delle piante o di vedere cosa scorre all'interno dei tessuti xilematici, " ha detto. Duro, i film flessibili realizzati con MXenes possono essere utilizzati per creare sensori biomedici che misurano la conduttività elettrica mentre diversi nutrienti fluiscono attraverso i tessuti vegetali.

Questa primavera, Prasad ha ricevuto una ricerca SDSU, Borsa di studio e finanziamento delle attività creative Challenge Fund per iniziare a sviluppare strumenti di simulazione per prevedere le proprietà dei compositi basati su MXene e portare capacità di apprendimento automatico nella sua ricerca sui materiali. L'RSCA Challenge Fund di SDSU aiuta i docenti a generare dati preliminari per aumentare la loro capacità di competere per finanziamenti esterni.