Sinds de Eerste Wereldoorlog, de overgrote meerderheid van de Amerikaanse gevechtsslachtoffers is niet het gevolg van schotwonden, maar van explosies. Vandaag, de meeste soldaten dragen een zware, kogelvrij vest om hun romp te beschermen, maar een groot deel van hun lichaam blijft blootgesteld aan het willekeurige doel van explosieve fragmenten en granaatscherven.

Het ontwerpen van apparatuur om extremiteiten te beschermen tegen de extreme temperaturen en dodelijke projectielen die gepaard gaan met een explosie was moeilijk vanwege een fundamentele eigenschap van materialen. Materialen die sterk genoeg zijn om te beschermen tegen ballistische dreigingen, kunnen niet beschermen tegen extreme temperaturen en vice versa. Als resultaat, veel van de huidige beschermingsmiddelen zijn samengesteld uit meerdere lagen van verschillende materialen, leidend tot volumineus, zware uitrusting die, indien gedragen op de armen en benen, de mobiliteit van een soldaat ernstig zou beperken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de universiteit van Harvard, in samenwerking met het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) en West Point, hebben een lichtgewicht, multifunctioneel nanovezelmateriaal dat dragers kan beschermen tegen zowel extreme temperaturen als ballistische dreigingen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Materie .

"Toen ik in gevecht was in Afghanistan, Ik zag uit de eerste hand hoe kogelvrije vesten levens konden redden, " zei senior auteur Kit Parker, de Tarr Family Professor of Bioengineering and Applied Physics aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en een luitenant-kolonel in de United States Army Reserve. "Ik zag ook hoe zware kogelvrije vesten de mobiliteit konden beperken. Als soldaten op het slagveld, de drie belangrijkste taken zijn bewegen, schieten, en communiceren. Als u een van deze beperkt, je vermindert de overlevingskansen en je brengt het succes van de missie in gevaar."

"Ons doel was om een ​​multifunctioneel materiaal te ontwerpen dat iemand die in een extreme omgeving werkt, zou kunnen beschermen, zoals een astronaut, brandweerman of soldaat, van de vele verschillende bedreigingen waarmee ze worden geconfronteerd, " zei Grant M. Gonzalez, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel.

Om dit praktische doel te bereiken, de onderzoekers moesten de afweging tussen mechanische bescherming en thermische isolatie onderzoeken, eigenschappen die geworteld zijn in de moleculaire structuur en oriëntatie van een materiaal.

Materialen met sterke mechanische bescherming, zoals metalen en keramiek, hebben een sterk geordende en uitgelijnde moleculaire structuur. Door deze structuur kunnen ze de energie van een directe slag weerstaan ​​en verdelen. Isolatiematerialen, anderzijds, een veel minder geordende structuur hebben, waardoor de overdracht van warmte door het materiaal wordt voorkomen.

Kevlar en Twaron zijn commerciële producten die op grote schaal worden gebruikt in beschermende uitrusting en kunnen ballistische of thermische bescherming bieden, afhankelijk van hoe ze zijn gemaakt. Geweven Kevlar, bijvoorbeeld, heeft een sterk uitgelijnde kristallijne structuur en wordt gebruikt in beschermende kogelvrije vesten. Poreuze Kevlar-aerogels, anderzijds, is aangetoond dat ze een hoge thermische isolatie hebben.

"Ons idee was om dit Kevlar-polymeer te gebruiken om de geweven, geordende structuur van vezels met de porositeit van aerogels om lange, continue vezels met poreuze tussenruimte ertussen, " zei Gonzalez. "In dit systeem, de lange vezels konden een mechanische impact weerstaan, terwijl de poriën de warmtediffusie zouden beperken."

Het onderzoeksteam gebruikte immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS), een techniek ontwikkeld door Parker's Disease Biophysics Group, de vezels te vervaardigen. Bij deze techniek, een vloeibare polymeeroplossing wordt in een reservoir geladen en door een kleine opening door centrifugale kracht naar buiten geduwd terwijl het apparaat ronddraait. Wanneer de polymeeroplossing uit het reservoir schiet, het gaat eerst door een gebied van open lucht, waar de polymeren langer worden en de ketens op één lijn liggen. Vervolgens komt de oplossing in een vloeistofbad dat het oplosmiddel verwijdert en de polymeren neerslaat om vaste vezels te vormen. Omdat het bad ook ronddraait - zoals water in een slacentrifuge - volgen de nanovezels de stroom van de vortex en wikkelen ze zich rond een roterende collector aan de onderkant van het apparaat.

Door de viscositeit van de vloeibare polymeeroplossing af te stemmen, konden de onderzoekers lang spinnen, uitgelijnde nanovezels in poreuze platen - voldoende orde om te beschermen tegen projectielen, maar genoeg wanorde om te beschermen tegen hitte. Over ongeveer 10 minuten, het team kon vellen van ongeveer 10 bij 30 centimeter groot draaien.

Om de vellen te testen, het Harvard-team wendde zich tot hun medewerkers om ballistische tests uit te voeren. Onderzoekers van CCDC SC in Natick, Massachusetts simuleerde de inslag van granaatscherven door grote, BB-achtige projectielen op het monster. Het team voerde tests uit door de nanovezelvellen tussen geweven Twaron-vellen te plaatsen. Ze zagen weinig verschil in bescherming tussen een stapel van allemaal geweven Twaron-vellen en een gecombineerde stapel van geweven Twaron en gesponnen nanovezels.

"De capaciteiten van de CCDC SC stellen ons in staat om de successen van onze vezels te kwantificeren vanuit het perspectief van beschermende uitrusting voor oorlogsjagers, specifiek, ' zei Gonzalez.

"Academische samenwerkingen, vooral die met vooraanstaande lokale universiteiten zoals Harvard, CCDC SC de mogelijkheid bieden om gebruik te maken van geavanceerde expertise en faciliteiten om onze eigen R&D-capaciteiten te vergroten, " zei Kathleen Swana, een onderzoeker bij CCDC SC en een van de auteurs van het artikel. "CCDC SC, in ruil, biedt waardevolle wetenschappelijke en soldaatgerichte expertise en testmogelijkheden om het onderzoek vooruit te helpen."

Bij het testen voor thermische bescherming, de onderzoekers ontdekten dat de nanovezels 20 keer het warmte-isolerende vermogen van commerciële Twaron en Kevlar opleverden.

"Hoewel er verbeteringen kunnen worden aangebracht, we hebben de grenzen verlegd van wat mogelijk is en zijn begonnen het veld te verplaatsen naar dit soort multifunctioneel materiaal, ' zei Gonzalez.

"We hebben laten zien dat je zeer beschermend textiel kunt ontwikkelen voor mensen die gevaarlijk werken, " zei Parker. "Onze uitdaging is nu om de wetenschappelijke vooruitgang te ontwikkelen tot innovatieve producten voor mijn wapenbroeders en zusters."

Het Office of Technology Development van Harvard heeft een octrooiaanvraag ingediend voor de technologie en is actief op zoek naar commercialiseringsmogelijkheden.