Proporcionar protección contra impactos de balas y otros proyectiles de alta velocidad es más que una simple cuestión de fuerza bruta. Si bien los escudos tradicionales se han fabricado con materiales voluminosos como el acero, La armadura corporal más nueva hecha de material liviano como Kevlar ha demostrado que el grosor y el peso no son necesarios para absorber la energía de los impactos. Ahora, Un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y la Universidad de Rice ha demostrado que incluso los materiales más ligeros pueden ser capaces de hacer el trabajo con la misma eficacia.

La clave es utilizar compuestos hechos de dos o más materiales cuya rigidez y flexibilidad estén estructuradas de formas muy específicas, como en capas alternas de solo unos pocos nanómetros de espesor. El equipo de investigación produjo proyectiles en miniatura de alta velocidad y midió los efectos que tenían sobre el material absorbente de impactos.

Los resultados de la investigación se informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo escrito en coautoría por el ex postdoctorado Jae-Hwang Lee, ahora científico investigador en Rice; postdoctorado Markus Retsch; el estudiante de posgrado Jonathan Singer; Edwin Thomas, un ex profesor del MIT que ahora está en Rice; el estudiante de posgrado David Veysset; el ex estudiante de posgrado Gagan Saini; ex postdoctorado Thomas Pezeril, ahora en la facultad de la Université du Maine, en Le Mans, Francia; y el profesor de química Keith Nelson. El trabajo experimental se llevó a cabo en el Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.

El equipo desarrolló un polímero autoensamblante con una estructura de torta de capas:capas de goma, que aportan resiliencia, alternando con capas vidriosas, que aportan fuerza. Luego desarrollaron un método para disparar perlas de vidrio al material a alta velocidad utilizando un pulso láser para evaporar rápidamente una capa de material justo debajo de su superficie. Aunque las perlas eran diminutas (apenas una millonésima parte de un metro de diámetro), seguían siendo cientos de veces más grandes que las capas del polímero que impactaron:lo suficientemente grandes como para simular impactos de objetos más grandes, como balas, pero lo suficientemente pequeño para que los efectos de los impactos pudieran estudiarse en detalle utilizando un microscopio electrónico.

Viendo las capas

Los compuestos de polímeros estructurados se han probado previamente para posibles aplicaciones de protección contra impactos. Pero nadie había encontrado una manera de estudiar exactamente cómo funcionan, por lo que no había forma de buscar sistemáticamente combinaciones mejoradas de materiales.

Las nuevas técnicas desarrolladas por los investigadores del MIT y Rice podrían proporcionar tal método. Su trabajo podría acelerar el progreso en materiales para aplicaciones en armaduras de carrocería y vehículos; blindaje para proteger a los satélites de impactos de micrometeoritos; y revestimientos para álabes de turbinas de motores a reacción para protegerlos de impactos a alta velocidad por partículas de arena o hielo.

Los métodos que el equipo desarrolló para producir impactos de alta velocidad a escala de laboratorio, y para medir los efectos de los impactos de forma precisa, "puede ser una herramienta cuantitativa extremadamente útil para el desarrollo de nanomateriales protectores, "dice Lee, el autor principal del artículo, quien hizo gran parte de esta investigación mientras estaba en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Nuestro trabajo presenta algunos conocimientos valiosos para comprender la contribución" de la estructura a nanoescala a la forma en que dichos materiales absorben un impacto, él dice.

Debido a que el material en capas tiene un aspecto tan predecible, estructura ordenada, los efectos de los impactos se cuantifican fácilmente observando las distorsiones en la sección transversal. "Si desea probar cómo se comportarán los sistemas ordenados, "Cantante dice, "esta es la estructura perfecta para realizar pruebas".

Qué dirección funciona mejor

El equipo descubrió que cuando los proyectiles golpean las capas de frente, absorbieron el impacto un 30 por ciento más eficazmente que en un impacto de canto. Esa información puede tener relevancia inmediata para el diseño de materiales de protección mejorados.

Nelson ha pasado años desarrollando técnicas que utilizan pulsos de láser para observar y cuantificar ondas de choque a nanoescala, técnicas que se adaptaron para esta investigación con la ayuda de Lee, Veysset y otros miembros del equipo. Idealmente, en futuras investigaciones, el equipo espera poder observar el paso de los proyectiles en tiempo real para comprender mejor la secuencia de eventos a medida que el material impactado sufre distorsión y daño, Nelson dice.

Además, ahora que se ha desarrollado el método experimental, a los investigadores les gustaría investigar diferentes materiales y estructuras para ver cómo responden a los impactos, Nelson dice:variando la composición y el grosor de las capas, o usando diferentes estructuras.

Donald Shockey, director del Centro de Física de Fracturas en SRI International, un instituto de investigación sin fines de lucro en Menlo Park, Calif., dice, "Es un enfoque novedoso y útil que proporcionará la comprensión necesaria de los mecanismos que gobiernan cómo un proyectil penetra en los chalecos y cascos protectores". Agrega que estos resultados "proporcionan los datos necesarios para desarrollar y validar modelos computacionales" para predecir el comportamiento de los materiales de protección contra impactos y desarrollar nuevos, materiales mejorados.

"La clave para desarrollar materiales con mejor resistencia al impacto es comprender el comportamiento de deformación y falla en la punta de un proyectil que avanza, Shockey dice. Tenemos que ser capaces de ver eso.

El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.