I ricercatori del MIT hanno sviluppato un processo in grado di produrre fibre ultrafini, il cui diametro si misura in nanometri, o miliardesimi di metro, che sono eccezionalmente forti e resistenti. Queste fibre, che dovrebbe essere poco costoso e facile da produrre, potrebbero essere materiali scelti per molte applicazioni, come armature protettive e nanocompositi.

Il nuovo processo, chiamato elettrofilatura del gel, è descritto in un articolo del professore di ingegneria chimica del MIT Gregory Rutledge e del postdoc Jay Park. Il documento appare online e sarà pubblicato nell'edizione di febbraio del Giornale di scienza dei materiali .

Nella scienza dei materiali, Rutledge spiega, "ci sono un sacco di compromessi". In genere i ricercatori possono migliorare una caratteristica di un materiale ma vedranno un declino in una caratteristica diversa. "Forza e tenacia sono una coppia del genere:di solito quando si ottiene un'elevata forza, perdi qualcosa nella durezza, " dice. "Il materiale diventa più fragile e quindi non ha il meccanismo per assorbire energia, e tende a rompersi." Ma nelle fibre prodotte dal nuovo processo, molti di questi compromessi vengono eliminati.

"È un grosso problema quando si ottiene un materiale che ha un'elevata resistenza e un'elevata tenacità, " dice Rutledge. Questo è il caso di questo processo, che utilizza una variazione di un metodo tradizionale chiamato gel spinning ma aggiunge forze elettriche. I risultati sono fibre ultrafini di polietilene che corrispondono o superano le proprietà di alcuni dei materiali in fibra più resistenti, come Kevlar e Dyneema, che vengono utilizzati per applicazioni tra cui giubbotti antiproiettile antiproiettile.

"Siamo partiti con la missione di produrre fibre in una gamma di dimensioni diverse, vale a dire al di sotto di 1 micron [milionesimo di metro], perché hanno una varietà di caratteristiche interessanti di per sé, " dice Rutledge. "E abbiamo visto queste fibre ultrafini, a volte chiamate nanofibre, per molti anni. Ma non c'era nulla in quella che si potrebbe definire la gamma di fibre ad alte prestazioni." Fibre ad alte prestazioni, che includono aramidi come Kevlar, e polietileni filati in gel come Dyneema e Spectra, trovano impiego anche in funi per usi estremi, e come fibre di rinforzo in alcuni compositi ad alte prestazioni.

"Non c'è stato molto di nuovo accadendo in quel campo in molti anni, perché hanno fibre molto performanti in quello spazio meccanico, " dice Rutledge. Ma questo nuovo materiale, lui dice, supera tutti gli altri. "Ciò che li distingue davvero è ciò che chiamiamo modulo specifico e forza specifica, il che significa che in base al peso hanno prestazioni superiori a qualsiasi cosa." Il modulo si riferisce alla rigidità di una fibra, o quanto resiste ad essere allungato.

Rispetto alle fibre di carbonio e alle fibre ceramiche, che sono ampiamente utilizzati nei materiali compositi, le nuove fibre di polietilene elettrofilate in gel hanno gradi di resistenza simili ma sono molto più resistenti e hanno una densità inferiore. Ciò significa che, Libra per libra, superano di gran lunga i materiali standard, dice Rutledge.

Nella creazione di questo materiale ultrasottile, il team aveva mirato solo ad abbinare le proprietà delle microfibre esistenti, "così dimostrando che sarebbe stato un bel risultato per noi, " dice Rutledge. Infatti, il materiale si è rivelato migliore in modi significativi. Mentre i materiali di prova avevano un modulo non così buono come le migliori fibre esistenti, erano abbastanza vicini, abbastanza da essere "competitivi, " dice. Fondamentalmente, Aggiunge, "i punti di forza sono circa un fattore due migliori dei materiali commerciali e paragonabili ai migliori materiali accademici disponibili. E la loro robustezza è di circa un ordine di grandezza migliore".

I ricercatori stanno ancora studiando cosa spiega questa impressionante performance. "Sembra qualcosa che abbiamo ricevuto in dono, con la riduzione della dimensione della fibra, che non ci aspettavamo, "Dice Rutledge.

Spiega che "la maggior parte delle plastiche sono dure, ma non sono così rigide e resistenti come quello che stiamo ottenendo." E le fibre di vetro sono rigide ma non molto forti, mentre il filo di acciaio è forte ma non molto rigido. Le nuove fibre gel-elettrofilate sembrano unire le desiderabili qualità di resistenza, rigidità, e tenacia in modi che hanno pochi eguali.

L'utilizzo del processo di elettrofilatura del gel "è essenzialmente molto simile al processo convenzionale [di filatura del gel] in termini di materiali che stiamo introducendo, ma poiché utilizziamo forze elettriche" e utilizziamo un processo a fase singola anziché le fasi multiple del processo convenzionale, "stiamo ottenendo fibre molto più altamente stirate, " con diametri di poche centinaia di nanometri anziché i tipici 15 micrometri, lui dice. Il processo dei ricercatori combina l'uso di un gel polimerico come materiale di partenza, come nelle fibre filate in gel, ma utilizza forze elettriche piuttosto che trazione meccanica per estrarre le fibre; le fibre cariche inducono un processo di instabilità di "montatura" che produce le loro dimensioni ultrafini. E quelle dimensioni ristrette, si scopre, ha portato alle proprietà uniche delle fibre.

Questi risultati potrebbero portare a materiali protettivi resistenti quanto quelli esistenti ma meno ingombranti, rendendoli più pratici. E, Rutledge aggiunge, "potrebbero avere applicazioni a cui non abbiamo ancora pensato, perché abbiamo appena appreso che hanno questo livello di durezza".

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.