Un nuevo estudio de ingenieros del MIT, Caltech, y ETH Zürich muestra que los materiales "nanoarquitecturados", materiales diseñados a partir de estructuras a nanoescala con patrones precisos, pueden ser una ruta prometedora hacia una armadura ligera. recubrimientos protectores, escudos contra explosiones, y otros materiales resistentes a los impactos.

Los investigadores han fabricado un material ultraligero hecho de puntales de carbono a escala nanométrica que le dan al material dureza y robustez mecánica. El equipo probó la resistencia del material disparándolo con micropartículas a velocidades supersónicas, y encontré que el material, que es más delgado que el ancho de un cabello humano, impidió que los proyectiles en miniatura lo atravesaran.

Los investigadores calculan que en comparación con el acero, Kevlar, aluminio, y otros materiales resistentes a los impactos de peso comparable, el nuevo material es más eficiente para absorber impactos.

"La misma cantidad de masa de nuestro material sería mucho más eficiente para detener un proyectil que la misma cantidad de masa de Kevlar, "dice el autor principal del estudio, Carlos Portela, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT.

Si se produce a gran escala, este y otros materiales de nanoarquitectura podrían potencialmente diseñarse como más ligeros, alternativas más duras al kevlar y al acero.

"El conocimiento de este trabajo ... podría proporcionar principios de diseño para materiales ultraligeros resistentes al impacto [para su uso en] materiales de blindaje eficientes, recubrimientos protectores, y escudos resistentes a explosiones deseables en aplicaciones de defensa y espaciales, "dice la coautora Julia R. Greer, profesor de ciencia de los materiales, mecánica, e ingeniería médica en Caltech, cuyo laboratorio dirigió la fabricación del material.

El equipo, que informa sus resultados hoy en la revista Materiales de la naturaleza , incluye a David Veysset, Yuchen Sun, y Keith A. Nelson, del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT y del Departamento de Química, y Dennis M. Kochmann de ETH Zürich.

De quebradizo a flexible

Un material nanoarquitecturado consta de estructuras modeladas a escala nanométrica que, dependiendo de cómo estén ordenados, puede dar a los materiales propiedades únicas como ligereza y resistencia excepcionales. Como tal, los materiales de nanoarquitectura se consideran potencialmente más ligeros, Materiales más duros resistentes a los impactos. Pero este potencial en gran parte no ha sido probado.

"Solo conocemos su respuesta en un régimen de deformación lenta, Considerando que se supone que gran parte de su uso práctico se realiza en aplicaciones del mundo real en las que nada se deforma lentamente, "Dice Portela.

El equipo se propuso estudiar materiales de nanoarquitectura en condiciones de deformación rápida, como durante los impactos de alta velocidad. En Caltech, Primero fabricaron un material de nanoarquitectura usando litografía de dos fotones, una técnica que utiliza un rápido, láser de alta potencia para solidificar estructuras microscópicas en una resina fotosensible. Los investigadores construyeron un patrón repetitivo conocido como tetrakaidecaedro, una configuración de celosía compuesta de puntales microscópicos.

"Históricamente, esta geometría aparece en espumas que mitigan la energía, "dice Portela, que eligieron replicar esta arquitectura similar a una espuma en un material de carbono a nanoescala, para impartir una flexibilidad, propiedad de absorción de impactos al material normalmente rígido. "Si bien el carbono es normalmente frágil, la disposición y los pequeños tamaños de los puntales en el material nanoarquitecturado dan lugar a una goma, arquitectura dominada por la flexión ".

Después de modelar la estructura de celosía, Los investigadores lavaron la resina sobrante y la colocaron en un horno de vacío de alta temperatura para convertir el polímero en carbono. dejando atrás un ultraligero, material de carbono nanoarquitecturado.

Más rápido que la velocidad del sonido

Para probar la resistencia del material a deformaciones extremas, El equipo realizó experimentos de impacto de micropartículas en el MIT utilizando pruebas de impacto de partículas inducidas por láser. La técnica apunta con un láser ultrarrápido a través de un portaobjetos de vidrio recubierto con una fina película de oro, que a su vez está recubierto con una capa de micropartículas, en este caso, Partículas de óxido de silicio de 14 micrones de ancho. A medida que el láser atraviesa la diapositiva, genera un plasma, o una rápida expansión de gas del oro, que empuja las partículas de óxido de silicio en la dirección del láser. Esto hace que las micropartículas se aceleren rápidamente hacia el objetivo.

Los investigadores pueden ajustar la potencia del láser para controlar la velocidad de los proyectiles de micropartículas. En sus experimentos, Exploraron un rango de velocidades de micropartículas, de 40 a 1, 100 metros por segundo, bien dentro del rango supersónico.

"Supersónico es cualquier cosa por encima de aproximadamente 340 metros por segundo, que es la velocidad del sonido en el aire al nivel del mar, "Portela dice". algunos experimentos lograron el doble de velocidad del sonido, fácilmente."

Usando una cámara de alta velocidad, capturaron videos de las micropartículas impactando con el material nanoarquitecturado. Habían fabricado material de dos densidades diferentes:el material menos denso tenía puntales ligeramente más delgados que el otro. Cuando compararon la respuesta al impacto de ambos materiales, encontraron que el más denso era más resistente, y las micropartículas tendían a incrustarse en el material en lugar de romperse directamente.

Para ver más de cerca los investigadores cortaron cuidadosamente las micropartículas incrustadas y los materiales, y encontró en la región justo debajo de una partícula incrustada que los puntales y vigas microscópicas se habían arrugado y compactado en respuesta al impacto, pero la arquitectura circundante permaneció intacta.

"Demostramos que el material puede absorber mucha energía debido a este mecanismo de compactación por impacto de puntales a nanoescala, versus algo que es completamente denso y monolítico, no nanoarquitectura, "Dice Portela.

Curiosamente, el equipo descubrió que podían predecir el tipo de daño que sufriría el material mediante el uso de un marco de análisis dimensional para caracterizar los impactos planetarios. Usando un principio conocido como el teorema de Buckingham-Π, este análisis da cuenta de varias cantidades físicas, como la velocidad de un meteoro y la fuerza del material de la superficie de un planeta, para calcular una "eficiencia de cráteres, "o la probabilidad y el grado en que un meteoro excavará un material.

Cuando el equipo adaptó la ecuación a las propiedades físicas de su película nanoarquitecturada y al tamaño y las velocidades de las micropartículas, encontraron que el marco podía predecir el tipo de impactos que mostraban sus datos experimentales.

Avanzando, Portela dice que el marco se puede utilizar para predecir la resistencia al impacto de otros materiales nanoarquitectos. Planea explorar varias configuraciones nanoestructuradas, así como otros materiales más allá del carbono, y formas de ampliar su producción, todo con el objetivo de diseñar más materiales protectores más ligeros.

"Los materiales de nanoarquitectura son realmente prometedores como materiales para mitigar el impacto, "Dice Portela." Hay muchas cosas que aún no sabemos sobre ellos, y estamos comenzando este camino para responder estas preguntas y abrir la puerta a sus aplicaciones generalizadas ".