Según la tradición antigua, Genghis Khan ordenó a sus jinetes que usaran chalecos de seda debajo de su armadura para protegerse mejor contra una avalancha de flechas durante la batalla. Desde la época de Khan, La armadura corporal ha evolucionado significativamente:la seda ha dado paso a materiales ultraduros que actúan como paredes impenetrables contra la mayoría de las municiones. Sin embargo, incluso esta armadura puede fallar, especialmente si es alcanzado por municiones de alta velocidad u otros objetos que se mueven rápidamente.

Los investigadores de la Universidad de Texas A&M han formulado una nueva receta que puede prevenir las debilidades de las armaduras modernas. Al agregar una pequeña cantidad del elemento silicio al carburo de boro, un material comúnmente utilizado para fabricar chalecos antibalas, descubrieron que el equipo resistente a las balas podría hacerse sustancialmente más resistente a los impactos de alta velocidad.

"Durante los últimos 12 años, Los investigadores han estado buscando formas de reducir el daño causado por el impacto de balas de alta velocidad en armaduras hechas con carburo de boro. "dijo el Dr. Kelvin Xie, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Nuestro trabajo finalmente aborda esta necesidad insatisfecha y es un paso adelante en el diseño de armaduras corporales superiores que protegerán contra armas de fuego aún más poderosas durante el combate".

Este estudio fue publicado en la edición de octubre de la revista Avances de la ciencia .

Carburo de boro, apodado "diamante negro, "es un material artificial, que ocupa el segundo lugar por debajo de otro material sintético llamado nitruro de boro cúbico en cuanto a dureza. A diferencia del nitruro de boro cúbico, sin embargo, El carburo de boro es más fácil de producir a gran escala. También, El carburo de boro es más duro y ligero que otros materiales de armadura como el carburo de silicio, lo que lo convierte en una opción ideal para equipos de protección, particularmente chalecos balísticos.

A pesar de las muchas cualidades deseables del carburo de boro, su principal defecto es que puede dañarse muy rápidamente con un impacto de alta velocidad.

"El carburo de boro es realmente bueno para detener las balas que viajan a menos de 900 metros por segundo, por lo que puede bloquear las balas de la mayoría de las pistolas con bastante eficacia, ", dijo Xie." Pero por encima de esta velocidad crítica, el carburo de boro pierde repentinamente su rendimiento balístico y no es tan eficaz ".

Los científicos saben que las sacudidas de alta velocidad hacen que el carburo de boro tenga transformaciones de fase, un fenómeno en el que un material cambia su estructura interna de manera que se encuentra en dos o más estados físicos. como líquido y sólido, al mismo tiempo. El impacto de la bala convierte así el carburo de boro de un estado cristalino donde los átomos se ordenan sistemáticamente a un estado similar al vidrio donde los átomos están dispuestos al azar. Este estado similar al vidrio debilita la integridad del material en el lugar de contacto entre la bala y el carburo de boro.

"Cuando el carburo de boro experimenta una transformación de fase, la fase vítrea crea una autopista para que se propaguen las grietas, "dijo Xie." Entonces, cualquier daño local causado por el impacto de una bala viaja fácilmente por el material y causa progresivamente más daño ".

El trabajo anterior utilizando simulaciones por computadora predijo que agregar una pequeña cantidad de otro elemento, como el silicio, tenía el potencial de hacer que el carburo de boro fuera menos frágil. Xie y su grupo investigaron si la adición de una pequeña cantidad de silicio también reducía la transformación de fase.

Para simular el impacto inicial de una bala de alta velocidad, los investigadores hicieron abolladuras bien controladas en muestras de carburo de boro con punta de diamante, cuyo ancho es menor que un cabello humano. Luego, bajo un microscopio electrónico de alta potencia, observaron el daño microscópico que se formó a partir de los golpes.

Xie y sus colaboradores descubrieron que incluso con pequeñas cantidades de silicio, el grado de transformación de fase se redujo en un 30%, reduciendo notablemente el daño de la muesca.

Aunque el silicio sirve para mejorar las propiedades del carburo de boro, Xie explicó que es necesario realizar más experimentos para saber si otros elementos, como el litio y el aluminio, también podría mejorar el rendimiento del carburo de boro.

En el futuro cercano, Xie predice que estos primos más fuertes del carburo de boro puro encontrarán otras aplicaciones no militares. Uno de esos usos es en escudos nucleares. Dijo que el uso de un toque de silicio en carburo de boro cambia el espacio entre los átomos y los espacios vacíos creados podrían ser buenos sitios para absorber la radiación dañina de los reactores nucleares.

"Al igual que en la cocina, donde una pequeña pizca de especias puede realzar mucho el sabor, by using a small amount of silicon we can dramatically improve the properties of boron carbide and consequently find novel applications for these ultrahard materials, " Xie said.