Een nieuwe studie door ingenieurs van MIT, Caltech, en ETH Zürich laat zien dat 'nanoarchitected' materialen - materialen die zijn ontworpen op basis van nanoschaalstructuren met een nauwkeurig patroon - een veelbelovende route kunnen zijn naar lichtgewicht pantser, Beschermende coatings, ontploffing schilden, en andere slagvaste materialen.

De onderzoekers hebben een ultralicht materiaal gefabriceerd dat is gemaakt van koolstofvezels op nanometerschaal die het materiaal taaiheid en mechanische robuustheid geven. Het team testte de veerkracht van het materiaal door het met supersonische snelheden te fotograferen met microdeeltjes. en ontdekte dat het materiaal, die dunner is dan de breedte van een mensenhaar, verhinderde dat de miniatuurprojectielen er doorheen scheurden.

De onderzoekers berekenen dat vergeleken met staal, Kevlar, aluminium, en andere slagvaste materialen van vergelijkbaar gewicht, het nieuwe materiaal is efficiënter in het absorberen van schokken.

"Dezelfde hoeveelheid massa van ons materiaal zou veel efficiënter zijn in het stoppen van een projectiel dan dezelfde hoeveelheid Kevlar, " zegt de hoofdauteur van de studie, Carlos Portela, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT.

Als het op grote schaal wordt geproduceerd, deze en andere materialen met nanoarchitectuur kunnen mogelijk worden ontworpen als lichter, sterkere alternatieven voor Kevlar en staal.

"De kennis van dit werk... zou ontwerpprincipes kunnen bieden voor ultralichtgewicht slagvaste materialen [voor gebruik in] efficiënte pantsermaterialen, Beschermende coatings, en explosiebestendige schilden die wenselijk zijn in defensie- en ruimtevaarttoepassingen, " zegt co-auteur Julia R. Greer, een professor in de materiaalkunde, mechanica, en medische techniek bij Caltech, wiens lab de fabricage van het materiaal leidde.

Het team, die vandaag zijn resultaten in het tijdschrift rapporteert Natuurmaterialen , inclusief David Veysset, Yuchen zon, en Keith A. Nelson, van MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies en het Department of Chemistry, en Dennis M. Kochmann van ETH Zürich.

Van broos tot buigzaam

Een materiaal met nanoarchitectuur bestaat uit structuren op nanometerschaal met patronen die, afhankelijk van hoe ze zijn ingericht, kan materialen unieke eigenschappen geven zoals uitzonderlijke lichtheid en veerkracht. Als zodanig, nanoarchitected materialen worden gezien als potentieel lichter, sterkere slagvaste materialen. Maar dit potentieel is grotendeels onbeproefd.

"We weten alleen van hun reactie in een langzaam deformatieregime, overwegende dat veel van hun praktische gebruik wordt verondersteld te zijn in toepassingen in de echte wereld waar niets langzaam vervormt, ' zegt Portela.

Het team ging op zoek naar materialen met nanoarchitectuur onder omstandigheden van snelle vervorming, zoals tijdens botsingen met hoge snelheid. Bij Caltech, ze maakten eerst een materiaal met nanoarchitectuur met behulp van twee-fotonlithografie, een techniek die gebruik maakt van een snelle, krachtige laser om microscopisch kleine structuren in een lichtgevoelige hars te laten stollen. De onderzoekers construeerden een zich herhalend patroon dat bekend staat als een tetrakaidecaëder - een roosterconfiguratie bestaande uit microscopisch kleine stutten.

"Historisch gezien komt deze geometrie voor in energiebeperkende schuimen, " zegt Portela, die ervoor kozen om deze schuimachtige architectuur te repliceren in een koolstofmateriaal op nanoschaal, een flexibele, schokabsorberende eigenschap aan het normaal stijve materiaal. "Terwijl koolstof normaal bros is, de opstelling en kleine afmetingen van de stutten in het nano-architected materiaal geven aanleiding tot een rubberachtig, door buigen gedomineerde architectuur."

Na het patroon van de roosterstructuur, de onderzoekers spoelden de overgebleven hars weg en plaatsten deze in een hoge temperatuur vacuümoven om het polymeer om te zetten in koolstof, een ultralicht achterlatend, nano-architected koolstof materiaal.

Sneller dan de snelheid van het geluid

Om de veerkracht van het materiaal tegen extreme vervorming te testen, het team voerde microdeeltjesimpactexperimenten uit bij MIT met behulp van laser-geïnduceerde deeltjesimpacttests. De techniek is gericht op een ultrasnelle laser door een glasplaatje bedekt met een dunne film van goud, die zelf is bedekt met een laag microdeeltjes - in dit geval 14 micron brede siliciumoxidedeeltjes. Terwijl de laser door de dia gaat, het genereert een plasma, of een snelle expansie van gas uit het goud, die de siliciumoxidedeeltjes in de richting van de laser naar buiten duwt. Dit zorgt ervoor dat de microdeeltjes snel naar het doel versnellen.

De onderzoekers kunnen het vermogen van de laser aanpassen om de snelheid van de projectielen van microdeeltjes te regelen. In hun experimenten, ze onderzochten een reeks microdeeltjessnelheden, van 40 tot 1, 100 meter per seconde, ruim binnen het supersonische bereik.

"Supersonisch is alles boven ongeveer 340 meter per seconde, dat is de geluidssnelheid in de lucht op zeeniveau, ' zegt Portela. 'Dus, sommige experimenten bereikten tweemaal de snelheid van het geluid, gemakkelijk."

Met behulp van een hogesnelheidscamera, ze hebben video's gemaakt van de microdeeltjes die impact maken op het nano-architecturale materiaal. Ze hadden materiaal van twee verschillende dichtheden gefabriceerd - het minder dichte materiaal had stutten die iets dunner waren dan de andere. Toen ze de impactrespons van beide materialen vergeleken, ze ontdekten dat de dichtere veerkrachtiger was, en microdeeltjes hadden de neiging zich in het materiaal te nestelen in plaats van er rechtdoor te scheuren.

Om het van dichterbij te bekijken, de onderzoekers sneden zorgvuldig door de ingebedde microdeeltjes en de materialen, en gevonden in het gebied net onder een ingebed deeltje, waren de microscopische stutten en balken verkreukeld en verdicht als reactie op de impact, maar de omringende architectuur bleef intact.

"We laten zien dat het materiaal veel energie kan absorberen vanwege dit schokverdichtingsmechanisme van stutten op nanoschaal, versus iets dat volledig dicht en monolithisch is, niet nanoarchitected, ' zegt Portela.

interessant, het team ontdekte dat ze konden voorspellen wat voor soort schade het materiaal zou oplopen door een dimensionaal analysekader te gebruiken voor het karakteriseren van planetaire effecten. Met behulp van een principe dat bekend staat als de stelling van Buckingham-Π, deze analyse houdt rekening met verschillende fysieke grootheden, zoals de snelheid van een meteoor en de sterkte van het oppervlaktemateriaal van een planeet, om een ​​"kraterefficiëntie te berekenen, " of de waarschijnlijkheid en mate waarin een meteoor een materiaal zal opgraven.

Toen het team de vergelijking aanpaste aan de fysieke eigenschappen van hun nano-architected film en de grootte en snelheden van de microdeeltjes, ze ontdekten dat het raamwerk het soort effecten kon voorspellen dat hun experimentele gegevens lieten zien.

Vooruit gaan, Portela zegt dat het raamwerk kan worden gebruikt om de impactbestendigheid van andere materialen met nanoarchitectuur te voorspellen. Hij is van plan om verschillende nanogestructureerde configuraties te verkennen, evenals andere materialen dan koolstof, en manieren om hun productie op te schalen - allemaal met het doel om hardere, lichtere beschermende materialen.

"Nanoarchitected materialen zijn echt veelbelovend als impactbeperkende materialen, " zegt Portela. "Er is nog veel dat we niet over hen weten, en we beginnen dit pad om deze vragen te beantwoorden en de deur te openen naar hun wijdverbreide toepassingen."