Onderzoekers van de Northwestern University hebben een nieuw soort vezel nano-engineered dat sterker zou kunnen zijn dan Kevlar.

Werken in een multidisciplinair team dat bestaat uit groepen van andere universiteiten en de MER Corporation, Horacio Espinosa, James N. en Nancy J. Farley Professor in Manufacturing &Entrepreneurship aan de McCormick School of Engineering and Applied Science, en zijn groep hebben een hoogwaardige vezel gemaakt van koolstofnanobuisjes en een polymeer dat opmerkelijk taai is, sterk, en bestand tegen falen. Met behulp van state-of-the-art in-situ elektronenmicroscopie testmethoden, de groep was in staat om de vezels op veel verschillende schalen te testen en te onderzoeken - van de nanoschaal tot de macroschaal - waardoor ze precies konden begrijpen hoe kleine interacties de prestaties van het materiaal beïnvloeden. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

"We willen vezels van de nieuwe generatie creëren die zowel superieure sterkte als taaiheid vertonen, "zei Espinosa. "Een groot probleem bij technische vezels is dat ze ofwel sterk of kneedbaar zijn - we willen een vezel die beide is. De door ons vervaardigde vezels vertonen een zeer hoge ductiliteit en een zeer hoge taaiheid. Ze kunnen grote hoeveelheden energie absorberen en dissiperen voordat ze falen. We hebben ook vastgesteld dat de sterkte van het materiaal erg blijft, heel hoog, die nog niet eerder is getoond. Deze vezels kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan defensie- en ruimtevaarttoepassingen."

Het project maakt deel uit van het Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief (MURI)-programma van het Ministerie van Defensie, die onderzoek ondersteunt door teams van onderzoekers die meer dan één traditionele wetenschappelijke en technische discipline kruisen. Espinosa en zijn medewerkers ontvingen $ 7,5 miljoen van het Amerikaanse legeronderzoeksbureau voor de studie van ontwrichtende vezels, die kunnen worden gebruikt in kogelvrije vesten, parachutes, of composietmaterialen die in voertuigen worden gebruikt, vliegtuigen en satellieten.

Om de nieuwe vezel te maken, onderzoekers begonnen met koolstofnanobuisjes — cilindrische koolstofmoleculen, die afzonderlijk een van de hoogste sterktes hebben van alle materialen in de natuur. Als je nanobuisjes samenbundelt, echter, ze verliezen hun kracht - de buizen beginnen zijdelings tussen elkaar te glijden.

Werken met de MER Corporation en de CVD-reactor van de onderneming gebruiken, het team voegde een polymeer toe aan de nanobuisjes om ze aan elkaar te binden, en vervolgens het resulterende materiaal tot garens gesponnen. Vervolgens testten ze de sterkte en faalpercentages van het materiaal met behulp van in-situ SEM-testen, die een krachtige microscoop gebruikt om de vervorming van materialen onder een scanning elektronenstraal te observeren. Deze technologie, die pas de laatste jaren beschikbaar is, stelt onderzoekers in staat om extreem hoge resolutiebeelden van materialen te hebben terwijl ze vervormen en falen, en stelt onderzoekers in staat materialen op verschillende schalen te bestuderen. Ze kunnen individuele bundels nanobuisjes en de vezel als geheel onderzoeken.

"We hebben op meerdere schalen geleerd hoe dit materiaal functioneert, " zei Tobin Filleter, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Espinosa. "We zullen moeten begrijpen hoe moleculen functioneren op deze nanometerschalen om in de toekomst sterkere en taaiere vezels te ontwikkelen."

Het resultaat is een materiaal dat sterker is dan Kevlar - wat betekent dat het een hoger vermogen heeft om energie te absorberen zonder te breken. Maar Kevlar is nog steeds sterker - wat betekent dat het een hogere weerstand tegen falen heeft. Volgende, onderzoekers hopen te blijven bestuderen hoe de interacties tussen koolstofnanobuisjesbundels en tussen de nanobuisjes in de bundel zelf kunnen worden gemanipuleerd.

"Koolstof nanobuisjes, de bouwstenen op nanoschaal van de ontwikkelde garens, zijn nog steeds 50 keer sterker dan het materiaal dat we hebben gemaakt, " zei Mohammed Naraghi, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Espinosa. "Als we de interacties tussen bundels beter kunnen engineeren, we kunnen het materiaal sterker maken."

De groep bekijkt momenteel technieken - zoals het covalent verknopen van buizen in bundels met behulp van hoogenergetische elektronenstraling - om die interacties beter te ontwikkelen.

Filleter en Naraghi zeiden dat dit werk niet mogelijk zou zijn geweest zonder het interdisciplinaire team dat de academische wereld en de industrie samenvoegt.

"Om in een omgeving te werken waar we informatie heen en weer kunnen uitwisselen, is een unieke kans die de technologie verder zal brengen, " Zei Naraghi. "MER heeft ons een unieke grondstof en een commercieel perspectief op het project gegeven. Beurtelings, wij bieden het fundamentele wetenschappelijke begrip."