Los investigadores del MIT han desarrollado un proceso que puede producir fibras ultrafinas, cuyo diámetro se mide en nanómetros, o mil millonésimas de metro, que son excepcionalmente fuertes y resistentes. Estas fibras, que debería ser económico y fácil de producir, podrían ser materiales de elección para muchas aplicaciones, como armaduras protectoras y nanocomposites.

El nuevo proceso, llamado electrohilado en gel, se describe en un artículo del profesor de ingeniería química del MIT Gregory Rutledge y del posdoctorado Jay Park. El artículo aparece en línea y se publicará en la edición de febrero de la Revista de ciencia de materiales .

En ciencia de materiales, Rutledge explica, "Hay muchas compensaciones". Normalmente, los investigadores pueden mejorar una característica de un material, pero verán una disminución en una característica diferente. "La fuerza y ​​la tenacidad son una pareja así:por lo general, cuando obtienes alta resistencia, pierdes algo en la dureza, ", dice." El material se vuelve más frágil y, por lo tanto, no tiene el mecanismo para absorber energía, y tiende a romperse ". Pero en las fibras hechas por el nuevo proceso, muchas de esas compensaciones se eliminan.

"Es un gran problema cuando se obtiene un material que tiene muy alta resistencia y alta tenacidad, ", Dice Rutledge. Ese es el caso de este proceso, que utiliza una variación de un método tradicional llamado gel spinning pero agrega fuerzas eléctricas. Los resultados son fibras ultrafinas de polietileno que igualan o superan las propiedades de algunos de los materiales de fibra más resistentes. como Kevlar y Dyneema, que se utilizan para aplicaciones que incluyen chalecos antibalas.

"Comenzamos con la misión de fabricar fibras en un rango de tamaño diferente, es decir, por debajo de 1 micrón [millonésima parte de un metro], porque tienen una variedad de características interesantes por derecho propio, "Dice Rutledge." Y hemos analizado esas fibras ultrafinas, a veces llamadas nanofibras, durante muchos años. Pero no había nada en lo que se llamaría la gama de fibras de alto rendimiento ". Fibras de alto rendimiento, que incluyen aramidas como Kevlar, y polietilenos hilados en gel como Dyneema y Spectra, también se utilizan en cuerdas para usos extremos, y como fibras de refuerzo en algunos compuestos de alto rendimiento.

"No ha habido muchas novedades en ese campo en muchos años, porque tienen fibras de muy alto rendimiento en ese espacio mecánico, ", Dice Rutledge. Pero este nuevo material, él dice, supera a todos los demás. "Lo que realmente los distingue es lo que llamamos módulo específico y resistencia específica, lo que significa que, por peso, superan a casi todo ". El módulo se refiere a la rigidez de una fibra, o cuánto resiste ser estirado.

En comparación con las fibras de carbono y las fibras cerámicas, que son ampliamente utilizados en materiales compuestos, Las nuevas fibras de polietileno electrohilado en gel tienen grados similares de resistencia pero son mucho más resistentes y tienen menor densidad. Eso significa que, libra por libra, superan a los materiales estándar por un amplio margen, Dice Rutledge.

Al crear este material ultrafino, el equipo tenía como objetivo igualar las propiedades de las microfibras existentes, "Demostrar que hubiera sido un gran logro para nosotros, "Dice Rutledge. De hecho, el material resultó ser mejor de manera significativa. Si bien los materiales de prueba tenían un módulo no tan bueno como las mejores fibras existentes, estaban bastante cerca, lo suficiente como para ser "competitivos, ", dice. Fundamentalmente, él añade, "las fortalezas son un factor dos mejores que los materiales comerciales y comparables a los mejores materiales académicos disponibles. Y su dureza es mejor en un orden de magnitud".

Los investigadores todavía están investigando qué explica este impresionante desempeño. "Parece ser algo que recibimos como regalo, con la reducción del tamaño de la fibra, que no esperábamos, "Dice Rutledge.

Explica que "la mayoría de los plásticos son resistentes, pero no son tan rígidas y fuertes como las que estamos obteniendo ". Y las fibras de vidrio son rígidas pero no muy fuertes, mientras que el alambre de acero es fuerte pero no muy rígido. Las nuevas fibras electrohiladas en gel parecen combinar las deseables cualidades de resistencia, rigidez, y dureza en formas que tienen pocos iguales.

El uso del proceso de electrohilado en gel "es esencialmente muy similar al proceso convencional [de hilado en gel] en términos de los materiales que estamos trayendo, pero debido a que usamos fuerzas eléctricas "y usamos un proceso de una sola etapa en lugar de las etapas múltiples del proceso convencional, "estamos obteniendo fibras mucho más estiradas, "con diámetros de unos pocos cientos de nanómetros en lugar de los típicos 15 micrómetros, él dice. El proceso de los investigadores combina el uso de un gel de polímero como material de partida, como en fibras hiladas en gel, pero utiliza fuerzas eléctricas en lugar de tracción mecánica para extraer las fibras; las fibras cargadas inducen un proceso de inestabilidad "batido" que produce sus dimensiones ultrafinas. Y esas estrechas dimensiones, resulta, condujo a las propiedades únicas de las fibras.

Estos resultados pueden conducir a materiales protectores que sean tan fuertes como los existentes pero menos voluminosos. haciéndolos más prácticos. Y, Rutledge agrega, "Es posible que tengan aplicaciones en las que no hemos pensado todavía, porque acabamos de aprender que tienen este nivel de dureza ".

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.