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Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno creato un materiale in nanofibra che supera le sue controparti ampiamente utilizzate, comprese le piastre in acciaio e il tessuto in Kevlar, nella protezione dagli impatti dei proiettili ad alta velocità.
Fondamentalmente, è meglio dell'antiproiettile.
"I nostri tappetini in nanofibra mostrano proprietà protettive che superano di gran lunga altri sistemi di materiali a un peso molto più leggero", afferma Ramathasan Thevamaran, assistente professore di fisica ingegneristica della UW-Madison che ha guidato la ricerca.
Lui e i suoi collaboratori hanno dettagliato l'anticipo in un articolo pubblicato di recente sulla rivista ACS Nano .
Per creare il materiale, Thevamaran e la ricercatrice post-dottorato Jizhe Cai hanno mescolato nanotubi di carbonio a pareti multiple, cilindri di carbonio spessi solo un atomo in ogni strato, con nanofibre di Kevlar. I tappetini in nanofibra risultanti sono superiori nel dissipare l'energia dall'impatto di minuscoli proiettili che si muovono più velocemente della velocità del suono.
Il progresso getta le basi per l'uso dei nanotubi di carbonio in materiali per armature leggere e ad alte prestazioni, ad esempio, nei giubbotti antiproiettile per proteggere meglio chi lo indossa o negli scudi attorno ai veicoli spaziali per mitigare i danni causati dal volo di microdetriti ad alta velocità.
"I materiali nanofibrosi sono molto interessanti per le applicazioni protettive perché le fibre su scala nanometrica hanno una resistenza, tenacità e rigidità eccezionali rispetto alle fibre su scala macro", afferma Thevamaran. "Finora i tappetini in nanotubi di carbonio hanno mostrato il miglior assorbimento di energia e volevamo vedere se potevamo migliorarne ulteriormente le prestazioni."
Hanno trovato la giusta chimica. Il team ha sintetizzato nanofibre di Kevlar e ne ha incorporato una piccola quantità nei loro tappetini di nanotubi di carbonio, che hanno creato legami idrogeno tra le fibre. Quei legami idrogeno hanno modificato le interazioni tra le nanofibre e, insieme alla giusta miscela di nanofibre di Kevlar e nanotubi di carbonio, hanno causato un notevole balzo in avanti nelle prestazioni complessive del materiale.
"Il legame idrogeno è un legame dinamico, il che significa che può rompersi e riformarsi continuamente, consentendogli di dissipare un'elevata quantità di energia attraverso questo processo dinamico", afferma Thevamaran. "Inoltre, i legami idrogeno forniscono maggiore rigidità a tale interazione, che rafforza e irrigidisce il tappetino in nanofibra. Quando abbiamo modificato le interazioni interfacciali nei nostri tappetini aggiungendo nanofibre di Kevlar, siamo stati in grado di ottenere un miglioramento di quasi il 100% delle prestazioni di dissipazione dell'energia a determinati velocità d'impatto supersoniche."
Lancia i proiettili. I ricercatori hanno testato il loro nuovo materiale utilizzando un sistema di test di impatto microproiettile indotto da laser nel laboratorio di Thevamaran. Uno dei pochi simili negli Stati Uniti, il sistema utilizza i laser per sparare microproiettili nei campioni di materiale.
"Il nostro sistema è progettato in modo tale da poter effettivamente raccogliere un singolo proiettile al microscopio e spararlo contro il bersaglio in modo molto controllato, con una velocità molto controllata che può variare da 100 metri al secondo fino a oltre 1 chilometro al secondo", dice Thevamaran. "This allowed us to conduct experiments at a time scale where we could observe the material's response—as the hydrogen bond interactions happen."
In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Esplora ulteriormente
