Fornire protezione contro gli impatti di proiettili e altri proiettili ad alta velocità non è solo una questione di forza bruta. Mentre gli scudi tradizionali sono stati realizzati con materiali ingombranti come l'acciaio, la nuova armatura per il corpo realizzata in materiale leggero come il Kevlar ha dimostrato che spessore e peso non sono necessari per assorbire l'energia degli impatti. Ora, un nuovo studio condotto da ricercatori del MIT e della Rice University ha dimostrato che anche i materiali più leggeri possono essere in grado di svolgere il lavoro in modo altrettanto efficace.

La chiave è utilizzare compositi costituiti da due o più materiali la cui rigidità e flessibilità sono strutturate in modi molto specifici, ad esempio in strati alternati di pochi nanometri di spessore. Il team di ricerca ha prodotto proiettili in miniatura ad alta velocità e ha misurato gli effetti che avevano sul materiale che assorbe gli urti.

I risultati della ricerca sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo scritto dall'ex postdoc Jae-Hwang Lee, ora ricercatore alla Rice; postdottorato Markus Retsch; studente laureato Jonathan Singer; Edwin Thomas, un ex professore del MIT che ora è alla Rice; studente laureato David Veysset; l'ex studente laureato Gagan Saini; l'ex postdoc Thomas Pezeril, ora alla facoltà dell'Université du Maine, a Le Mans, Francia; e il professore di chimica Keith Nelson. Il lavoro sperimentale è stato condotto presso l'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT.

Il team ha sviluppato un polimero autoassemblante con una struttura a strati:strati gommosi, che forniscono resilienza, alternati a strati vitrei, che danno forza. Hanno quindi sviluppato un metodo per sparare perline di vetro al materiale ad alta velocità utilizzando un impulso laser per far evaporare rapidamente uno strato di materiale appena sotto la sua superficie. Sebbene le perle fossero minuscole - solo milionesimi di metro di diametro - erano comunque centinaia di volte più grandi degli strati del polimero su cui avevano avuto l'impatto:abbastanza grandi da simulare gli impatti di oggetti più grandi, come proiettili, ma abbastanza piccolo da poter studiare in dettaglio gli effetti degli impatti utilizzando un microscopio elettronico.

Vedendo gli strati

I compositi polimerici strutturati sono stati precedentemente testati per possibili applicazioni di protezione dagli urti. Ma nessuno aveva trovato un modo per studiare esattamente come funzionano, quindi non c'era modo di cercare sistematicamente combinazioni migliorate di materiali.

Le nuove tecniche sviluppate dai ricercatori del MIT e della Rice potrebbero fornire un tale metodo. Il loro lavoro potrebbe accelerare i progressi sui materiali per applicazioni in corazze per carrozzeria e veicoli; schermatura per proteggere i satelliti dagli impatti dei micrometeoriti; e rivestimenti per le pale delle turbine dei motori a reazione per la protezione dagli impatti ad alta velocità di sabbia o particelle di ghiaccio.

I metodi sviluppati dal team per produrre impatti ad alta velocità su scala di laboratorio, e per misurare in modo preciso gli effetti degli impatti, "può essere uno strumento quantitativo estremamente utile per lo sviluppo di nanomateriali protettivi, "dice Lee, l'autore principale dell'articolo, che ha fatto gran parte di questa ricerca mentre era al Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. "Il nostro lavoro presenta alcuni spunti preziosi per comprendere il contributo" della struttura su scala nanometrica al modo in cui tali materiali assorbono un impatto, lui dice.

Poiché il materiale stratificato ha una tale prevedibilità, struttura ordinata, gli effetti degli impatti sono facilmente quantificabili osservando le distorsioni della sezione trasversale. "Se vuoi testare come si comporteranno i sistemi ordinati, "Il cantante dice "questa è la struttura perfetta per i test."

Quale direzione funziona meglio

Il team ha scoperto che quando i proiettili colpiscono gli strati frontalmente, hanno assorbito l'impatto il 30 percento in modo più efficace rispetto a un impatto di taglio. Tali informazioni possono avere un'immediata rilevanza per la progettazione di materiali protettivi migliorati.

Nelson ha trascorso anni a sviluppare tecniche che utilizzano impulsi laser per osservare e quantificare onde d'urto su scala nanometrica, tecniche che sono state adattate per questa ricerca con l'aiuto di Lee, Veysset e altri membri del team. Idealmente, nella ricerca futura, il team spera di poter osservare il passaggio dei proiettili in tempo reale per comprendere meglio la sequenza degli eventi mentre il materiale colpito subisce distorsioni e danni, dice Nelson.

Inoltre, ora che il metodo sperimentale è stato sviluppato, i ricercatori vorrebbero studiare diversi materiali e strutture per vedere come questi rispondono agli impatti, Nelson dice:variando la composizione e lo spessore degli strati, o utilizzando strutture diverse.

Donald Shockey, direttore del Center for Fracture Physics presso SRI International, un istituto di ricerca senza scopo di lucro a Menlo Park, California, dice, "È un approccio nuovo e utile che fornirà la comprensione necessaria dei meccanismi che regolano il modo in cui un proiettile penetra nei giubbotti e negli elmetti protettivi". Aggiunge che questi risultati "forniscono i dati necessari per sviluppare e convalidare modelli computazionali" per prevedere il comportamento dei materiali di protezione dagli urti e per sviluppare nuovi, materiali migliorati.

"La chiave per lo sviluppo di materiali con una migliore resistenza agli urti è comprendere il comportamento di deformazione e cedimento sulla punta di un proiettile che avanza, "Dice Shockey. "Dobbiamo essere in grado di vederlo."

Il lavoro è stato sostenuto dall'Ufficio di ricerca dell'esercito americano.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.