Onderzoekers van MIT hebben een proces ontwikkeld dat ultrafijne vezels kan produceren - waarvan de diameter wordt gemeten in nanometers, of miljardsten van een meter - die uitzonderlijk sterk en taai zijn. Deze vezels, die goedkoop en gemakkelijk te produceren moet zijn, keuzematerialen kunnen zijn voor vele toepassingen, zoals beschermend pantser en nanocomposieten.

Het nieuwe proces, gelelektrospinning genoemd, wordt beschreven in een paper van MIT-hoogleraar chemische technologie Gregory Rutledge en postdoc Jay Park. De paper verschijnt online en zal worden gepubliceerd in de februari-editie van de Tijdschrift voor materiaalkunde .

In de materiaalkunde, Rutledge legt uit, "er zijn veel afwegingen." Doorgaans kunnen onderzoekers één kenmerk van een materiaal verbeteren, maar zien ze een achteruitgang in een ander kenmerk. "Kracht en taaiheid zijn zo'n paar:meestal als je een hoge sterkte krijgt, je verliest iets in de taaiheid, " zegt hij. "Het materiaal wordt brozer en heeft daarom niet het mechanisme om energie te absorberen, en het heeft de neiging te breken." Maar in de vezels die door het nieuwe proces zijn gemaakt, veel van die afwegingen worden geëlimineerd.

"Het is een groot probleem als je een materiaal krijgt met een zeer hoge sterkte en hoge taaiheid, " zegt Rutledge. Dat is het geval met dit proces, die een variatie van een traditionele methode gebruikt die gelspinning wordt genoemd, maar voegt elektrische krachten toe. De resultaten zijn ultrafijne vezels van polyethyleen die de eigenschappen van enkele van de sterkste vezelmaterialen evenaren of overtreffen, zoals Kevlar en Dyneema, die worden gebruikt voor toepassingen met inbegrip van kogelwerende kogelvrije vesten.

"We zijn begonnen met een missie om vezels in een ander maatbereik te maken, namelijk onder 1 micron [miljoenste van een meter], omdat die op zichzelf al een aantal interessante kenmerken hebben, "zegt Rutledge. "En we hebben naar zulke ultrafijne vezels gekeken, soms nanovezels genoemd, voor vele jaren. Maar er was niets in wat men het high-performance vezelassortiment zou noemen." High-performance vezels, waaronder aramides zoals Kevlar, en gel-gesponnen polyethyleen zoals Dyneema en Spectra, worden ook gebruikt in touwen voor extreem gebruik, en als versterkende vezels in sommige hoogwaardige composieten.

"Er is al jaren niet veel nieuws op dat gebied gebeurd, omdat ze zeer goed presterende vezels hebben in die mechanische ruimte, " zegt Rutledge. Maar dit nieuwe materiaal, hij zegt, overtreft alle andere. "Wat die echt onderscheidt, is wat we specifieke modulus en specifieke sterkte noemen, wat betekent dat ze per gewicht beter presteren dan bijna alles." Modulus verwijst naar hoe stijf een vezel is, of hoeveel weerstand het biedt om uitgerekt te worden.

In vergelijking met koolstofvezels en keramische vezels, die veel worden gebruikt in composietmaterialen, de nieuwe gel-elektrospun polyethyleenvezels hebben een vergelijkbare sterkte, maar zijn veel taaier en hebben een lagere dichtheid. Dat betekent dat, pond voor pond, ze presteren ruimschoots beter dan de standaardmaterialen, zegt Rutte.

Bij het maken van dit ultrafijne materiaal, het team had ernaar gestreefd om de eigenschappen van bestaande microvezels te evenaren, "Dus demonstreren dat zou een mooie prestatie voor ons zijn geweest, " zegt Rutledge. In feite, het materiaal bleek in belangrijke opzichten beter te zijn. Hoewel de testmaterialen een modulus hadden die niet zo goed was als de beste bestaande vezels, ze waren redelijk dichtbij - genoeg om "concurrerend te zijn, "zegt hij. Cruciaal, hij voegt toe, "de sterke punten zijn ongeveer een factor twee beter dan de commerciële materialen en vergelijkbaar met de best beschikbare academische materialen. En hun taaiheid is ongeveer een orde van grootte beter."

De onderzoekers onderzoeken nog wat de verklaring is voor deze indrukwekkende prestatie. "Het lijkt iets te zijn dat we als cadeau hebben gekregen, met de vermindering van de vezelgrootte, dat hadden we niet verwacht, ' zegt Rutte.

Hij legt uit dat "de meeste kunststoffen taai zijn, maar ze zijn niet zo stijf en sterk als wat we krijgen." En glasvezels zijn stijf maar niet erg sterk, terwijl staaldraad sterk maar niet erg stijf is. De nieuwe gel-elektrospun vezels lijken de gewenste eigenschappen van sterkte te combineren, stijfheid, en taaiheid op manieren die weinig gelijken hebben.

Het gebruik van het gel-elektrospinproces "lijkt in wezen erg op het conventionele [gelspin]-proces in termen van de materialen die we binnenhalen, maar omdat we elektrische krachten gebruiken" en een proces in één fase gebruiken in plaats van de meerdere fasen van het conventionele proces, "we krijgen veel meer sterk getrokken vezels, " met diameters van een paar honderd nanometer in plaats van de typische 15 micrometer, hij zegt. Het proces van de onderzoekers combineert het gebruik van een polymeergel als uitgangsmateriaal, zoals in gel-gesponnen vezels, maar gebruikt elektrische krachten in plaats van mechanisch trekken om de vezels eruit te trekken; de geladen vezels veroorzaken een "opzwepend" instabiliteitsproces dat hun ultrafijne afmetingen produceert. En die smalle afmetingen, het blijkt, geleid tot de unieke eigenschappen van de vezels.

Deze resultaten kunnen leiden tot beschermende materialen die even sterk zijn als bestaande, maar minder omvangrijk, waardoor ze praktischer worden. En, Rutledge voegt toe, "ze hebben misschien toepassingen waar we nog niet aan hebben gedacht, omdat we net hebben geleerd dat ze dit niveau van taaiheid hebben."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.