I ricercatori della Northwestern University hanno nanoingegnerizzato un nuovo tipo di fibra che potrebbe essere più resistente del Kevlar.
Lavorando in un team multidisciplinare che include gruppi di altre università e della MER Corporation, Horacio Espinosa, James N. e Nancy J. Farley Professore di produzione e imprenditorialità presso la McCormick School of Engineering and Applied Science, e il suo gruppo hanno creato una fibra ad alte prestazioni da nanotubi di carbonio e un polimero straordinariamente resistente, forte, e resistente al fallimento. Utilizzando metodi di test di microscopia elettronica in situ all'avanguardia, il gruppo è stato in grado di testare ed esaminare le fibre su molte scale diverse, dalla nanoscala alla macroscala, il che li ha aiutati a capire esattamente come piccole interazioni influiscano sulle prestazioni del materiale. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista ACS Nano .
"Vogliamo creare fibre di nuova generazione che mostrino resistenza e tenacità superiori, " ha detto Espinosa ha detto. "Un grosso problema nelle fibre ingegneristiche è che sono o forti o duttili - vogliamo una fibra che sia entrambe le cose. Le fibre che abbiamo fabbricato mostrano una duttilità molto elevata e una tenacità molto elevata. Possono assorbire e dissipare grandi quantità di energia prima del guasto. Abbiamo anche osservato che la resistenza del materiale rimane molto, molto alto, che non è stato mostrato prima. Queste fibre possono essere utilizzate per un'ampia varietà di applicazioni aerospaziali e di difesa".
Il progetto fa parte del programma Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) del Dipartimento della Difesa, che supporta la ricerca di gruppi di ricercatori che intersecano più di una disciplina scientifica e ingegneristica tradizionale. Espinosa e i suoi collaboratori hanno ricevuto 7,5 milioni di dollari dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti per lo studio delle fibre dirompenti, che potrebbe essere utilizzato in giubbotti antiproiettile, paracadute, o materiali compositi utilizzati nei veicoli, aerei e satelliti.
Per creare la nuova fibra, i ricercatori hanno iniziato con i nanotubi di carbonio, molecole di carbonio di forma cilindrica, che singolarmente hanno uno dei più alti punti di forza di qualsiasi materiale in natura. Quando unisci i nanotubi insieme, però, perdono la loro forza - i tubi iniziano a scivolare lateralmente l'uno sull'altro.
Lavorando con la MER Corporation e utilizzando il reattore CVD della società, il team ha aggiunto un polimero ai nanotubi per legarli insieme, e poi filato il materiale risultante in filati. Quindi hanno testato la resistenza e i tassi di guasto del materiale utilizzando test SEM in situ, che utilizza un potente microscopio per osservare la deformazione dei materiali sotto un fascio di elettroni a scansione. Questa tecnologia, disponibile solo negli ultimi anni, consente ai ricercatori di avere immagini ad altissima risoluzione dei materiali mentre si deformano e si guastano e consente ai ricercatori di studiare materiali su diverse scale. Possono esaminare singoli fasci di nanotubi e la fibra nel suo insieme.
"Abbiamo imparato su più scale come funziona questo materiale, " disse Tobin Filleter, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Espinosa. "Avremo bisogno di capire come funzionano le molecole su queste scale nanometriche per progettare fibre più forti e resistenti in futuro".
Il risultato è un materiale più resistente del Kevlar, il che significa che ha una maggiore capacità di assorbire energia senza rompersi. Ma il Kevlar è ancora più forte, il che significa che ha una maggiore resistenza al fallimento. Prossimo, i ricercatori sperano di continuare a studiare come progettare le interazioni tra i fasci di nanotubi di carbonio e tra i nanotubi all'interno del fascio stesso.
"Nanotubi di carbonio, gli elementi costitutivi su scala nanometrica dei filati sviluppati, sono ancora 50 volte più resistenti del materiale che abbiamo creato, " disse Mohammad Naraghi, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Espinosa. "Se possiamo progettare meglio le interazioni tra i bundle, possiamo rendere il materiale più forte."
Il gruppo sta attualmente esaminando tecniche, come tubi a reticolazione covalente all'interno di fasci che utilizzano radiazioni di elettroni ad alta energia, per aiutare a progettare meglio queste interazioni.
Filleter e Naraghi hanno affermato che questo lavoro non sarebbe stato possibile senza il team interdisciplinare che include la fusione tra università e industria.
"Lavorare in un ambiente in cui possiamo scambiare informazioni avanti e indietro è un'opportunità unica che spingerà la tecnologia più lontano, " Ha detto Naraghi. "MER ci ha dato una materia prima unica e una prospettiva commerciale sul progetto. A sua volta, forniamo la comprensione scientifica fondamentale."
