Le strutture polimeriche simili ai tubulani create alla Rice University erano in grado di gestire meglio l'impatto di un proiettile rispetto al cubo di riferimento del polimero in basso a destra. Il proiettile si è fermato approssimativamente nel secondo strato delle strutture tubulane, senza danni strutturali significativi osservati oltre quello strato. I proiettili sparati alla stessa velocità hanno fatto esplodere l'intero cubo di riferimento. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Un materiale leggero pieno di buchi è duro quasi quanto il diamante. Le semplici ammaccature lasciate dai proiettili in velocità lo dimostrano.
I ricercatori della Brown School of Engineering della Rice University e i loro colleghi stanno testando polimeri basati su tubulani, strutture teoriche di nanotubi di carbonio reticolati previsti per avere una forza straordinaria.
Il laboratorio di ricerca dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan ha scoperto che i tubulani possono essere imitati come ingranditi, Blocchi polimerici stampati in 3D che si dimostrano migliori nel deviare i proiettili rispetto allo stesso materiale senza fori. I blocchi sono anche altamente comprimibili senza rompersi.
Come dettagliato in Piccolo , la scoperta potrebbe portare a strutture stampate di qualsiasi dimensione con proprietà meccaniche regolabili.
I tubulani furono predetti nel 1993 dal chimico Ray Baughman dell'Università del Texas a Dallas e dal fisico Douglas Galvão dell'Università statale di Campinas, Brasile, entrambi i co-investigatori principali sul nuovo documento. I tubulani stessi devono ancora essere realizzati, ma i loro cugini polimerici potrebbero essere la prossima cosa migliore.
Lo studente laureato Rice e autore principale Seyed Mohammad Sajadi e i suoi colleghi hanno costruito simulazioni al computer di vari blocchi di tubulani, stamparono i disegni come polimeri su macroscala e li sottoposero a forze di schiacciamento e proiettili veloci. Il migliore si è dimostrato 10 volte migliore nel fermare un proiettile rispetto a un blocco solido dello stesso materiale.
Il team di Rice ha sparato proiettili in cubi modellati e solidi a 5,8 chilometri al secondo. Sajadi ha detto che i risultati sono stati impressionanti. "Il proiettile era bloccato nel secondo strato della struttura, " ha detto. "Ma nel blocco solido, crepe propagate attraverso l'intera struttura."
I test in una pressa da laboratorio hanno mostrato come il reticolo polimerico poroso lascia che i blocchi di tubulano collassino su se stessi senza rompersi, ha detto Sajadi.
Il gruppo Ajayan ha realizzato strutture simili due anni fa, quando ha convertito modelli teorici di schwarziti in blocchi stampati in 3D. Ma il nuovo lavoro è un passo verso quello che gli scienziati dei materiali considerano un Santo Graal, ha detto Sajadi.
"Ci sono molti sistemi teorici che le persone non possono sintetizzare, " ha detto. "Sono rimasti poco pratici e sfuggenti. Ma con la stampa 3D, possiamo ancora sfruttare le proprietà meccaniche previste perché sono il risultato della topologia, non la taglia."
Lo studente laureato della Rice University Seyed Mohammad Sajadi e i suoi colleghi hanno costruito simulazioni al computer di blocchi di tubulani, stamparono i disegni come polimeri su macroscala e li sottoposero a forze di schiacciamento e proiettili veloci. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Sajadi ha detto che strutture di metallo simili a tubulani, la ceramica e il polimero sono limitati solo dalle dimensioni della stampante. L'ottimizzazione del design del reticolo potrebbe portare a materiali migliori per civili, aerospaziale, settore automobilistico, gli sport, imballaggi e applicazioni biomediche, Egli ha detto.
"Le proprietà uniche di tali strutture derivano dalla loro complessa topologia, che è indipendente dalla scala, ", ha detto l'alunno di Rice Chandra Sekhar Tiwary, co-investigatore principale del progetto e ora assistente professore presso l'Indian Institute of Technology, Kharagpur. "Il rafforzamento controllato dalla topologia o il miglioramento della capacità portante può essere utile anche per altri progetti strutturali".
I materiali realizzati alla Rice University basati su strutture tubulane teoriche erano in grado di gestire meglio l'impatto di un proiettile rispetto al cubo di riferimento polimerico in basso. Il proiettile si è fermato approssimativamente nel secondo strato delle strutture tubulane, senza danni strutturali significativi osservati oltre quello strato. I proiettili sparati alla stessa velocità hanno fatto esplodere l'intero cubo di riferimento. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Secondo i coautori Peter Boul e Carl Thaemlitz di Aramco Services Co., uno sponsor della ricerca, le potenziali applicazioni abbracciano molti settori, ma il petrolio e il gas troveranno le strutture tubulane particolarmente preziose come materiali resistenti e durevoli per la costruzione di pozzi. Tali materiali devono resistere agli urti, in particolare nella fratturazione idraulica, che può rovinare i cementi standard.
"La resistenza agli urti di queste strutture stampate in 3D le colloca in una classe a parte, " ha detto Boul.
