Investigadores de la Universidad Northwestern han creado nanoingeniería un nuevo tipo de fibra que podría ser más resistente que el Kevlar.

Trabajando en un equipo multidisciplinario que incluye grupos de otras universidades y la Corporación MER, Horacio Espinosa, James N. y Nancy J. Farley Profesores de Fabricación y Emprendimiento en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick, y su grupo han creado una fibra de alto rendimiento a partir de nanotubos de carbono y un polímero que es notablemente resistente. fuerte, y resistente al fracaso. Utilizando métodos de prueba de microscopía electrónica in situ de última generación, el grupo pudo probar y examinar las fibras a muchas escalas diferentes, desde la nanoescala hasta la macroescala, lo que les ayudó a comprender exactamente cómo las pequeñas interacciones afectan el rendimiento del material. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista ACS Nano .

"Queremos crear fibras de nueva generación que exhiban una resistencia y dureza superiores, ", dijo Espinosa, dijo." Un gran problema en las fibras de ingeniería es que son fuertes o dúctiles; queremos una fibra que sea ambas cosas. Las fibras que fabricamos muestran una ductilidad muy alta y una tenacidad muy alta. Pueden absorber y disipar grandes cantidades de energía antes de fallar. También observamos que la resistencia del material se mantiene muy, muy alto, que no se ha mostrado antes. Estas fibras se pueden utilizar para una amplia variedad de aplicaciones aeroespaciales y de defensa ".

El proyecto es parte del programa de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) del Departamento de Defensa, que apoya la investigación de equipos de investigadores que cruzan más de una disciplina tradicional de ciencia e ingeniería. Espinosa y sus colaboradores recibieron $ 7.5 millones de la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos para el estudio de fibras disruptivas, que podría usarse en chalecos antibalas, paracaídas, o materiales compuestos utilizados en vehículos, aviones y satélites.

Para crear la nueva fibra, los investigadores comenzaron con nanotubos de carbono, moléculas de carbono de forma cilíndrica, que individualmente tienen una de las mayores fortalezas de cualquier material en la naturaleza. Cuando agrupas nanotubos, sin embargo, pierden su fuerza:los tubos comienzan a deslizarse lateralmente entre sí.

Trabajando con MER Corporation y usando el reactor CVD de la corporación, el equipo agregó un polímero a los nanotubos para unirlos, y luego hila el material resultante en hilos. Luego probaron la resistencia y las tasas de falla del material mediante pruebas SEM in situ, que utiliza un poderoso microscopio para observar la deformación de materiales bajo un haz de electrones de barrido. Esta tecnología, que solo ha estado disponible en los últimos años, permite a los investigadores tener imágenes de materiales de muy alta resolución a medida que se deforman y fallan y permite a los investigadores estudiar materiales en varias escalas diferentes. Pueden examinar haces individuales de nanotubos y la fibra en su conjunto.

"Aprendimos en varias escalas cómo funciona este material, "dijo Tobin Filleter, investigador postdoctoral en el grupo de Espinosa. "Necesitaremos comprender cómo funcionan las moléculas a estas escalas nanométricas para diseñar fibras más fuertes y resistentes en el futuro".

El resultado es un material más resistente que el Kevlar, lo que significa que tiene una mayor capacidad para absorber energía sin romperse. Pero el Kevlar es aún más fuerte, lo que significa que tiene una mayor resistencia a fallas. Próximo, Los investigadores esperan continuar estudiando cómo diseñar las interacciones entre los haces de nanotubos de carbono y entre los nanotubos dentro del propio paquete.

"Nanotubos de carbon, los bloques de construcción a nanoescala de los hilos desarrollados, siguen siendo 50 veces más resistentes que el material que creamos, "dijo Mohammad Naraghi, investigador postdoctoral en el grupo de Espinosa. "Si podemos diseñar mejor las interacciones entre paquetes, podemos fortalecer el material ".

Actualmente, el grupo está buscando técnicas, como tubos entrecruzados covalentemente dentro de haces que utilizan radiación de electrones de alta energía, para ayudar a diseñar mejor esas interacciones.

Filleter y Naraghi dijeron que este trabajo no habría sido posible sin el equipo interdisciplinario que incluye la fusión de la academia con la industria.

"Trabajar en un entorno en el que podemos intercambiar información de un lado a otro es una oportunidad única que impulsará la tecnología más lejos, "Dijo Naraghi." MER nos ha dado una materia prima única y una perspectiva comercial sobre el proyecto. Sucesivamente, proporcionamos el conocimiento científico fundamental ".