L'assistente professore di ingegneria meccanica e industriale Marilyn Minus ha sviluppato una fibra super resistente che rivaleggia con le migliori del settore. Credito:Mary Knox Merrill
Nel mercato odierno delle fibre ad alte prestazioni, utilizzato per applicazioni come giubbotti antiproiettile, i produttori hanno solo quattro opzioni:Kevlar, spettri, Dyneema, e Zilon. Realizzato con polimeri come polietilene, queste erano le fibre sintetiche più resistenti al mondo, fino a poco tempo fa.
Marilyn Meno, un assistente professore di ingegneria alla Northeastern, ha sviluppato un tipo di fibra più resistente dei primi tre prodotti commerciali sopra menzionati, e, anche nella sua prima generazione, si avvicina da vicino alla forza della quarta (Zylon).
Aggiungendo piccole quantità di nanotubi di carbonio—dritti, particelle cilindriche fatte interamente di carbonio:le fibre polimeriche aumentano marginalmente la loro resistenza. Ma come studente laureato al Georgia Institute of Technology cinque anni fa, Meno immaginato che con un po' più di controllo, potrebbe essere in grado di trasformare quei modesti miglioramenti in drammatici. Ha trascorso gli ultimi quattro anni alla Northeastern dimostrando la sua intuizione.
In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Materiali macromolecolari e ingegneria , Minus ha presentato un processo regolabile per la creazione di fibre super resistenti che rivaleggiano con le migliori del settore. Come per i lavori precedenti, Il metodo Minus integra i nanotubi di carbonio nella fibra polimerica, ma piuttosto che servire come semplice ingrediente aggiunto, i nanotubi ora svolgono anche un ruolo organizzativo.
Dalla polvere di nerofumo alle particelle metalliche, una varietà di materiali può guidare la formazione di specifici tipi di cristalli in un processo chiamato nucleazione. Ma prima dei nanotubi di carbonio, Meno ha detto, "non abbiamo mai avuto un materiale nucleante così simile ai polimeri".
Le fibre create dal team di Minus sono mostrate in rosso. La messa a punto del processo di cristallizzazione li rende più resistenti di qualsiasi altro materiale sul mercato ad eccezione dello Zylon. Credito:Marilyn Minus.
Questa somiglianza consente ai nanotubi di agire come pattini lungo i quali possono scorrere le lunghe catene polimeriche, allineandosi perfettamente tra loro.
Ma è il processo di cristallizzazione che guida le straordinarie proprietà recentemente riportate. Nella loro ricerca, Minus e i suoi colleghi hanno dimostrato di poter facilmente attivare o disattivare queste proprietà. Modificando nient'altro che il modello di riscaldamento e raffreddamento del materiale, sono stati in grado di aumentare la forza e la tenacità delle fibre realizzate con gli stessi ingredienti.
Dopo aver utilizzato la regolazione del processo di cristallizzazione, l'imaging al microscopio elettronico mostra che i nanotubi all'interno della fibra sono rivestiti in polimero. Credito:Marilyn Minus
Nella ricerca attuale, Minus e i suoi colleghi hanno elaborato la ricetta e il processo per un particolare polimero:l'alcol polivinilico. "Ma possiamo farlo con altri polimeri e lo stiamo facendo, " lei disse.
La semplice combinazione dei nanotubi e del polimero non induce il polimero a rivestire uniformemente il nanotubo. Credito:Marilyn Minus
Con il finanziamento di una nuova sovvenzione della Defense Advanced Research Projects Agency, Meno ora elaborerà il metodo per un polimero chiamato poliacrilonitro, o PAN. Questo è il materiale dominante utilizzato per formare le fibre di carbonio, che sono di particolare interesse per i materiali compositi leggeri come quelli utilizzati nell'aereo di linea Boeing 787. Con la struttura più organizzata offerta dal metodo di Minus, questo materiale potrebbe vedere un enorme aumento delle sue già grandi prestazioni.
