Dalla prima guerra mondiale, la stragrande maggioranza delle vittime di combattimento americane non è derivata da ferite da arma da fuoco ma da esplosioni. Oggi, la maggior parte dei soldati indossa un pesante, giubbotto antiproiettile per proteggere il busto, ma gran parte del corpo rimane esposto all'obiettivo indiscriminato di frammenti esplosivi e schegge.

Progettare attrezzature per proteggere le estremità dalle temperature estreme e dai proiettili mortali che accompagnano un'esplosione è stato difficile a causa di una proprietà fondamentale dei materiali. I materiali abbastanza resistenti da proteggere dalle minacce balistiche non possono proteggere dalle temperature estreme e viceversa. Di conseguenza, gran parte dei dispositivi di protezione odierni è composta da più strati di materiali diversi, portando a voluminosi, attrezzi pesanti che, se indossato su braccia e gambe, limiterebbe gravemente la mobilità di un soldato.

Ora, ricercatori dell'Università di Harvard, in collaborazione con l'U.S. Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) e West Point, hanno sviluppato un peso leggero, materiale in nanofibra multifunzionale in grado di proteggere chi lo indossa da temperature estreme e minacce balistiche.

La ricerca è pubblicata sulla rivista Questione .

"Quando ero in combattimento in Afghanistan, Ho visto in prima persona come l'armatura potrebbe salvare vite, ", ha affermato l'autore senior Kit Parker, il Tarr Family Professor di Bioingegneria e Fisica Applicata presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e un tenente colonnello nella United States Army Reserve. "Ho anche visto come un'armatura pesante potesse limitare la mobilità. Come soldati sul campo di battaglia, i tre compiti principali sono spostare, sparare, e comunicare. Se limiti uno di questi, riduci la capacità di sopravvivenza e metti in pericolo il successo della missione."

"Il nostro obiettivo era progettare un materiale multifunzionale che potesse proteggere chi lavora in un ambiente estremo, come un astronauta, pompiere o soldato, dalle molte diverse minacce che affrontano, " ha detto Grant M. Gonzalez, un borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento.

Per raggiungere questo obiettivo pratico, i ricercatori avevano bisogno di esplorare il compromesso tra protezione meccanica e isolamento termico, proprietà radicate nella struttura molecolare e nell'orientamento di un materiale.

Materiali con forte protezione meccanica, come metalli e ceramiche, hanno una struttura molecolare altamente ordinata e allineata. Questa struttura consente loro di resistere e distribuire l'energia di un colpo diretto. Materiali isolanti, d'altra parte, hanno una struttura molto meno ordinata, che impedisce la trasmissione del calore attraverso il materiale.

Kevlar e Twaron sono prodotti commerciali ampiamente utilizzati nei dispositivi di protezione e possono fornire protezione balistica o termica, a seconda di come sono fabbricati. Kevlar intrecciato, Per esempio, ha una struttura cristallina altamente allineata ed è utilizzato nei giubbotti protettivi antiproiettile. Aerogel di Kevlar porosi, d'altra parte, hanno dimostrato di avere un elevato isolamento termico.

"La nostra idea era di utilizzare questo polimero Kevlar per combinare il tessuto, struttura ordinata delle fibre con la porosità degli aerogel per rendere lunghe, fibre continue con spaziatura porosa in mezzo, " ha detto Gonzalez. "In questo sistema, le fibre lunghe potrebbero resistere a un impatto meccanico mentre i pori limiterebbero la diffusione del calore."

Il team di ricerca ha utilizzato l'immersione Rotary Jet-Spinning (iRJS), una tecnica sviluppata dal Parker's Disease Biophysics Group, per fabbricare le fibre. In questa tecnica, una soluzione polimerica liquida viene caricata in un serbatoio e spinta fuori attraverso una minuscola apertura per forza centrifuga mentre il dispositivo gira. Quando la soluzione polimerica fuoriesce dal serbatoio, passa prima attraverso uno spazio all'aperto, dove i polimeri si allungano e le catene si allineano. Quindi la soluzione colpisce un bagno liquido che rimuove il solvente e fa precipitare i polimeri per formare fibre solide. Poiché anche il bagno gira, come l'acqua in una centrifuga per insalata, le nanofibre seguono il flusso del vortice e si avvolgono attorno a un collettore rotante alla base del dispositivo.

Regolando la viscosità della soluzione polimerica liquida, i ricercatori sono stati in grado di girare a lungo, nanofibre allineate in fogli porosi, fornendo abbastanza ordine per proteggersi dai proiettili ma abbastanza disordine per proteggere dal calore. In circa 10 minuti, la squadra potrebbe girare fogli di circa 10 per 30 centimetri di dimensione.

Per testare i fogli, il team di Harvard si è rivolto ai propri collaboratori per eseguire test balistici. Ricercatori del CCDC SC di Natick, Il Massachusetts ha simulato l'impatto di una scheggia sparando grandi, Proiettili tipo BB sul campione. Il team ha eseguito dei test inserendo i fogli di nanofibra tra fogli di tessuto Twaron. Hanno osservato poche differenze nella protezione tra una pila di tutti i fogli Twaron intrecciati e una pila combinata di Twaron intrecciati e nanofibre filate.

"Le capacità del CCDC SC ci consentono di quantificare i successi delle nostre fibre dal punto di vista dei dispositivi di protezione per i combattenti di guerra, nello specifico, " disse González.

"Collaborazioni accademiche, specialmente quelli con illustri università locali come Harvard, fornire a CCDC SC l'opportunità di sfruttare competenze e strutture all'avanguardia per aumentare le nostre capacità di ricerca e sviluppo, "ha detto Kathleen Swana, un ricercatore presso CCDC SC e uno degli autori dell'articolo. "CCDC SC, in cambio, fornisce preziose competenze scientifiche e incentrate sui soldati e capacità di test per aiutare a portare avanti la ricerca".

Nei test per la protezione termica, i ricercatori hanno scoperto che le nanofibre fornivano 20 volte la capacità di isolamento termico di Twaron e Kevlar commerciali.

"Anche se ci sono miglioramenti che potrebbero essere fatti, abbiamo spinto i confini del possibile e abbiamo iniziato a muovere il campo verso questo tipo di materiale multifunzionale, " disse González.

"Abbiamo dimostrato che puoi sviluppare tessuti altamente protettivi per le persone che lavorano in modo pericoloso, " ha detto Parker. "La nostra sfida ora è quella di far evolvere i progressi scientifici in prodotti innovativi per i miei fratelli e sorelle d'armi".

L'Office of Technology Development di Harvard ha depositato una domanda di brevetto per la tecnologia ed è attivamente alla ricerca di opportunità di commercializzazione.