Las estructuras poliméricas similares a tubulano creadas en la Universidad de Rice pudieron manejar mejor el impacto de una bala que el cubo de referencia de polímero en la parte inferior derecha. La bala se detuvo aproximadamente en la segunda capa de las estructuras tubulares, sin ningún daño estructural significativo observado más allá de esa capa. Las balas disparadas a la misma velocidad enviaron grietas a través de todo el cubo de referencia. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Un material ligero lleno de agujeros es casi tan duro como el diamante. Las meras abolladuras dejadas por las balas rápidas lo demuestran.
Los investigadores de la Escuela de Ingeniería Brown de la Universidad de Rice y sus colegas están probando polímeros basados en tubulanos, Se prevé que las estructuras teóricas de los nanotubos de carbono reticulados tengan una fuerza extraordinaria.
El laboratorio de Rice de los científicos de materiales Pulickel Ajayan descubrió que los tubulanos se pueden imitar como escalados, Bloques de polímero impresos en 3-D que demuestran ser mejores para desviar proyectiles que el mismo material sin agujeros. Los bloques también son altamente comprimibles sin romperse.
Como se detalla en Pequeña , el descubrimiento podría conducir a estructuras impresas de cualquier tamaño con propiedades mecánicas ajustables.
Los tubulanos fueron predichos en 1993 por el químico Ray Baughman de la Universidad de Texas en Dallas y el físico Douglas Galvão de la Universidad Estatal de Campinas. Brasil, ambos co-investigadores principales en el nuevo artículo. Los propios tubulanos aún no se han hecho, pero sus primos polímeros pueden ser la mejor opción.
El estudiante graduado de Rice y autor principal Seyed Mohammad Sajadi y sus colegas construyeron simulaciones por computadora de varios bloques de tubulano, imprimió los diseños como polímeros a macroescala y los sometió a fuerzas aplastantes y balas veloces. Lo mejor demostró ser 10 veces mejor para detener una bala que un bloque sólido del mismo material.
El equipo de Rice disparó proyectiles en cubos sólidos y con patrones a 5,8 kilómetros por segundo. Sajadi dijo que los resultados fueron impresionantes. "La bala se quedó atascada en la segunda capa de la estructura, ", dijo." Pero en el bloque sólido, las grietas se propagaron por toda la estructura ".
Las pruebas en una prensa de laboratorio mostraron cómo la celosía de polímero poroso permite que los bloques de tubulano colapsen sobre sí mismos sin agrietarse. Dijo Sajadi.
El grupo Ajayan hizo estructuras similares hace dos años cuando convirtió modelos teóricos de schwarzitas en bloques impresos en 3D. Pero el nuevo trabajo es un paso hacia lo que los científicos de materiales consideran un santo grial, Dijo Sajadi.
"Hay muchos sistemas teóricos que la gente no puede sintetizar, ", dijo." Siguen siendo poco prácticos y escurridizos. Pero con la impresión 3D, todavía podemos aprovechar las propiedades mecánicas predichas porque son el resultado de la topología, no el tamaño ".
El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Seyed Mohammad Sajadi, y sus colegas construyeron simulaciones por computadora de bloques de tubulano, imprimió los diseños como polímeros a macroescala y los sometió a fuerzas aplastantes y balas veloces. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Sajadi dijo que las estructuras metálicas de tipo tubulano, la cerámica y el polímero solo están limitados por el tamaño de la impresora. La optimización del diseño de celosía podría conducir a mejores materiales para civiles, aeroespacial, automotor, Deportes, envases y aplicaciones biomédicas, él dijo.
"Las propiedades únicas de tales estructuras provienen de su compleja topología, que es independiente de la escala, "dijo el alumno de Rice, Chandra Sekhar Tiwary, co-investigador principal del proyecto y ahora profesor asistente en el Instituto Indio de Tecnología, Kharagpur. "El refuerzo controlado por topología o la mejora de la capacidad de carga también pueden ser útiles para otros diseños estructurales".
Los materiales fabricados en la Universidad de Rice basados en estructuras teóricas de tubulano pudieron manejar mejor el impacto de una bala que el cubo de referencia de polímero en la parte inferior. La bala se detuvo aproximadamente en la segunda capa de las estructuras tubulares, sin ningún daño estructural significativo observado más allá de esa capa. Las balas disparadas a la misma velocidad enviaron grietas a través de todo el cubo de referencia. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Según los coautores Peter Boul y Carl Thaemlitz de Aramco Services Co., un patrocinador de la investigación, las aplicaciones potenciales abarcan muchas industrias, pero el petróleo y el gas encontrarán las estructuras de tubulano particularmente valiosas como materiales resistentes y duraderos para la construcción de pozos. Dichos materiales deben resistir impactos, particularmente en fracturación hidráulica, que puede frotar cementos estándar.
"La resistencia al impacto de estas estructuras impresas en 3D las coloca en una clase propia, "Dijo Boul.
