Materiaalingenieurs van de Universiteit van Nebraska-Lincoln hebben een structurele nanovezel ontwikkeld die zowel sterk als taai is. een ontdekking die alles zou kunnen transformeren, van vliegtuigen en bruggen tot kogelvrije vesten en fietsen.

Hun bevindingen staan ​​op de omslag van het aprilnummer van deze week van het tijdschrift van de American Chemical Society, ACS Nano .

"Alles wat van composieten is gemaakt, kan profiteren van onze nanovezels, " zei de teamleider, Yuris Dzenis, McBroom hoogleraar Mechanical and Materials Engineering en lid van UNL's Nebraska Centre for Materials and Nanoscience.

"Onze ontdekking voegt een nieuwe materiaalklasse toe aan de zeer selecte huidige familie van materialen met een aangetoonde hoge sterkte en taaiheid."

In structurele materialen, conventionele wijsheid stelt dat kracht ten koste gaat van taaiheid. Kracht verwijst naar het vermogen van een materiaal om een ​​last te dragen. De taaiheid van een materiaal is de hoeveelheid energie die nodig is om het te breken; dus hoe meer een materiaal deukt, of op de een of andere manier vervormt, hoe kleiner de kans dat het breekt. Een keramische plaat, bijvoorbeeld, kan het diner naar de tafel dragen, maar verbrijzelt als het valt, omdat het de stevigheid mist. Een rubberen bal, anderzijds, wordt gemakkelijk uit vorm geplet, maar breekt niet omdat het zwaar is, niet sterk. Typisch, sterkte en taaiheid sluiten elkaar uit.

Dzenis en collega's ontwikkelden een uitzonderlijk dunne polyacrylonitril nanovezel, een soort synthetisch polymeer gerelateerd aan acryl, met behulp van een techniek genaamd electrospinning. Het proces omvat het toepassen van hoogspanning op een polymeeroplossing totdat een kleine straal vloeistof wordt uitgeworpen, wat resulteert in een continue lengte van nanovezel.

Ze ontdekten dat door de nanovezel dunner te maken dan voorheen, het werd niet alleen sterker, zoals verwacht, maar ook harder.

Dzenis suggereerde dat taaiheid komt van de lage kristalliniteit van de nanovezels. Met andere woorden, het heeft veel gebieden die structureel ongeorganiseerd zijn. Deze amorfe gebieden zorgen ervoor dat de moleculaire ketens meer rond kunnen glippen, waardoor ze meer energie kunnen opnemen.

De meeste geavanceerde vezels hebben minder amorfe gebieden, dus ze breken relatief gemakkelijk. In een vliegtuig, die veel composietmaterialen gebruikt, een abrupte onderbreking kan een catastrofale crash veroorzaken. Compenseren, ingenieurs gebruiken meer materiaal, die vliegtuigen maakt, en andere producten, zwaarder.

"Als structurele materialen harder waren, men zou producten lichter kunnen maken en toch erg veilig zijn, ' zei Dzenis.

Kogelvrije vesten, zoals kogelvrije vesten, vereist ook een materiaal dat zowel sterk als taai is. "Om de kogel te stoppen, je hebt het materiaal nodig om energie te kunnen absorberen voordat het faalt, en dat is wat onze nanovezels zullen doen, " hij zei.