Naukowcy wykorzystali nanorurki węglowe jako podstawę nowego materiału, który mógłby zostać wykorzystany w produkcji lekkich zbroi i pancerzy.
Waga jest często kluczową kwestią dla naukowców przekraczających granice materiałów kuloodpornych, wyobrażając sobie zbroję, która zapewnia użytkownikowi bezpieczeństwo, a jednocześnie poprawia jego mobilność. Inżynierowie z University of Wisconsin-Madison „wykuli” teraz nowy rodzaj ultralekkiego materiału do wykonania pancerza, opisanego jako „mata z nanowłókien”, który charakteryzuje się unikalnym składem chemicznym przewyższającym właściwości kevlaru i stali.
Podstawą tej nowej formy zbroi są maleńkie cylindry węgla o grubości jednego atomu. Nazywane nanorurkami węglowymi, okazały się obiecujące jako materiały nowej generacji do wszystkiego, od badań nad tranzystorami, przez leczenie utraty wzroku, po urządzenia do wykrywania bomb.
Przystosowując nanorurki węglowe do zastosowania w materiałach zbroi, autorzy tego nowego badania wykorzystali ich wielościenne wersje i połączyli je z nanowłókienkami kevlarowymi. Pomysł polegał na wykorzystaniu wcześniejszych badań wykazujących potencjał tych materiałów w pochłanianiu uderzeń, aby sprawdzić, czy nie można ich przekształcić w jeszcze bardziej funkcjonalne rozwiązanie opancerzenia.
Materiały nanowłókniste są bardzo atrakcyjne do zastosowań ochronnych, ponieważ włókna w nanoskali mają wyjątkową wytrzymałość, twardość i sztywność w porównaniu z włóknami w skali makro – powiedział Ramathasan Thevamaran, który kierował badaniami. Maty z nanorurek węglowych wykazały jak dotąd najlepszą absorpcję energii i chcieliśmy zobaczyć, czy możemy jeszcze bardziej poprawić ich wydajność.
Aby to zrobić, naukowcy majstrowali przy składzie chemicznym, aż opracowali ostateczną specyfikację. Zsyntetyzowali nanowłókna kevlaru i wprowadzili tylko niewielką ich ilość do „mat” zbudowanych z nanorurek węglowych,, co doprowadziło do wytworzenia wiązań wodorowych między włóknami. Rezultatem był dramatyczny skok wydajności.
Wiązanie wodorowe jest wiązaniem dynamicznym, co oznacza, że może stale się łamać i ponownie tworzyć, umożliwiając rozproszenie dużej ilości energii w tym dynamicznym procesie – powiedział Thevamaran. Ponadto wiązania wodorowe zapewniają większą sztywność tej interakcji, co wzmacnia i usztywnia matę z nanowłókien. Kiedy zmodyfikowaliśmy interakcje międzyfazowe w naszych matach, dodając nanowłókna kevlaru, byliśmy w stanie osiągnąć prawie 100-proc. poprawę wydajności rozpraszania energii przy określonych naddźwiękowych prędkościach uderzenia.
Zespół poddał materiał testom za pomocą systemu do testowania uderzeń mikropocisków, w którym lasery są wykorzystywane do wystrzeliwania mikropocisków w próbki materiału z różnymi prędkościami.
Nasz system został zaprojektowany w taki sposób, że możemy właściwie wybrać pojedynczą kulę pod mikroskopem i wystrzelić ją w cel w bardzo kontrolowany sposób, z bardzo kontrolowaną prędkością, którą można zmieniać od 100 metrów (330 stóp) na sekundę przez całą drogę do ponad 1 kilometra (0,62 mili) na sekundę – powiedział Thevamaran. To pozwoliło nam przeprowadzić eksperymenty w skali czasowej, w której mogliśmy obserwować reakcję materiału – w miarę zachodzenia interakcji wiązań wodorowych.
Eksperymenty te wykazały, że nowy materiał chronił przed uderzeniami przy dużych prędkościach lepiej niż tkanina kevlarowa i płyty stalowe. Stanowi to podstawę dla wysokowydajnych, ultralekkich materiałów pancernych, nie tylko w kamizelkach kuloodpornych. Zdaniem naukowców, materiał może umożliwić statkom kosmicznym pochłanianie uderzeń szybkich śmieci kosmicznych.
A to wszystko dlatego, że nowo wymyślone maty z nanowłókna wykazują właściwości ochronne, które znacznie przewyższają inne systemy materiałowe przy znacznie mniejszej wadze.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie ACS Nano.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Uniwersytet Wisconsin–Madison | New Atlas
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.