Crédito:CC0 Dominio público
Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado un material de nanofibras que supera a sus contrapartes ampliamente utilizadas, incluidas las placas de acero y la tela de Kevlar, en la protección contra impactos de proyectiles de alta velocidad.
Básicamente, es mejor que a prueba de balas.
"Nuestras placas de nanofibras exhiben propiedades protectoras que superan con creces a otros sistemas de materiales con un peso mucho más ligero", dice Ramathasan Thevamaran, profesor asistente de ingeniería física de la UW-Madison que dirigió la investigación.
Él y sus colaboradores detallaron el avance en un artículo publicado recientemente en la revista ACS Nano .
Para crear el material, Thevamaran y el investigador postdoctoral Jizhe Cai mezclaron nanotubos de carbono de pared múltiple (cilindros de carbono de solo un átomo de espesor en cada capa) con nanofibras de Kevlar. Las esteras de nanofibras resultantes son superiores para disipar la energía del impacto de pequeños proyectiles que se mueven más rápido que la velocidad del sonido.
El avance sienta las bases para el uso de nanotubos de carbono en materiales de blindaje livianos y de alto rendimiento, por ejemplo, en chalecos antibalas para proteger mejor al usuario o en escudos alrededor de naves espaciales para mitigar el daño de los microdesechos que vuelan a alta velocidad.
"Los materiales nanofibrosos son muy atractivos para las aplicaciones de protección porque las fibras a nanoescala tienen una resistencia, dureza y rigidez sobresalientes en comparación con las fibras a macroescala", dice Thevamaran. "Las placas de nanotubos de carbono han mostrado la mejor absorción de energía hasta el momento y queríamos ver si podíamos mejorar aún más su rendimiento".
Encontraron la química adecuada. El equipo sintetizó nanofibras de Kevlar e incorporó una pequeña cantidad de ellas en sus esteras de nanotubos de carbono, lo que creó enlaces de hidrógeno entre las fibras. Esos enlaces de hidrógeno modificaron las interacciones entre las nanofibras y, junto con la mezcla justa de nanofibras de Kevlar y nanotubos de carbono, provocaron un salto espectacular en el rendimiento general del material.
"El enlace de hidrógeno es un enlace dinámico, lo que significa que puede romperse y volver a formarse continuamente, lo que le permite disipar una gran cantidad de energía a través de este proceso dinámico", dice Thevamaran. "Además, los enlaces de hidrógeno brindan más rigidez a esa interacción, lo que fortalece y endurece la malla de nanofibras. Cuando modificamos las interacciones interfaciales en nuestras mallas agregando nanofibras de Kevlar, pudimos lograr una mejora de casi el 100 % en el rendimiento de disipación de energía en ciertos supersonic impact velocities."
Bring on the bullets. The researchers tested their new material using a laser-induced microprojectile impact testing system in Thevamaran's lab. One of only a handful like it in the United States, the system uses lasers to shoot micro-bullets into the material samples.
"Our system is designed such that we can actually pick a single bullet under a microscope and shoot it against the target in a very controlled way, with a very controlled velocity that can be varied from 100 meters per second all the way to over 1 kilometer per second," Thevamaran says. "This allowed us to conduct experiments at a time scale where we could observe the material's response—as the hydrogen bond interactions happen."
In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Explore further
