Ultralet materiale modstår supersoniske mikropartikelpåvirkninger

En ny undersøgelse foretaget af ingeniører ved MIT, Caltech, og ETH Zürich viser, at "nanoarkitekterede" materialer - materialer designet ud fra præcist mønstrede nanoskalastrukturer - kan være en lovende vej til letvægtsrustning, beskyttende belægninger, eksplosionsskjolde, og andre slagfaste materialer.

Forskerne har fremstillet et ultralet materiale lavet af nanometerskala carbon stivere, der giver materialet sejhed og mekanisk robusthed. Holdet testede materialets modstandsdygtighed ved at skyde det med mikropartikler ved supersoniske hastigheder, og fandt ud af, at materialet, som er tyndere end bredden af ​​et menneskehår, forhindrede miniatureprojektilerne i at rive igennem det.

Forskerne beregner, at sammenlignet med stål, Kevlar, aluminium, og andre slagfaste materialer af sammenlignelig vægt, det nye materiale er mere effektivt til at absorbere stød.

"Den samme mængde masse af vores materiale ville være meget mere effektiv til at stoppe et projektil end den samme mængde Kevlar, " siger undersøgelsens hovedforfatter, Carlos Portela, assisterende professor i maskinteknik ved MIT.

Hvis det produceres i stor skala, dette og andre nanoarkitekterede materialer kunne potentielt designes som lettere, hårdere alternativer til Kevlar og stål.

"Viden fra dette arbejde... kunne give designprincipper for ultralette slagfaste materialer [til brug i] effektive rustningsmaterialer, beskyttende belægninger, og eksplosionsbestandige skjolde ønskværdige i forsvars- og rumapplikationer, " siger medforfatter Julia R. Greer, professor i materialevidenskab, mekanik, og medicinsk teknik hos Caltech, hvis laboratorium førte materialets fremstilling.

Holdet, som rapporterer sine resultater i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , inkluderer David Veysset, Yuchen Sun, og Keith A. Nelson, fra MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies og Department of Chemistry, og Dennis M. Kochmann fra ETH Zürich.

Fra sprød til bøjet

Et nanoarkitekteret materiale består af mønstrede strukturer i nanometerskala, der, afhængig af hvordan de er arrangeret, kan give materialer unikke egenskaber som ekstraordinær lethed og modstandsdygtighed. Som sådan, nanoarkitekterede materialer ses som potentielt lettere, hårdere slagfaste materialer. Men dette potentiale har stort set været uafprøvet.

"Vi kender kun deres reaktion i et langsomt deformationsregime, der henviser til, at en stor del af deres praktiske anvendelse antages at være i virkelige applikationer, hvor intet deformeres langsomt, " siger Portela.

Holdet satte sig for at studere nanoarkitekterede materialer under forhold med hurtig deformation, f.eks. ved påvirkninger med høj hastighed. Hos Caltech, de fremstillede først et nanoarkitekteret materiale ved hjælp af to-foton litografi, en teknik, der bruger en hurtig, højtydende laser til at størkne mikroskopiske strukturer i en lysfølsom harpiks. Forskerne konstruerede et gentaget mønster kendt som et tetrakaidecahedron - en gitterkonfiguration sammensat af mikroskopiske stivere.

"Historisk set optræder denne geometri i energidæmpende skum, " siger Portela, som valgte at replikere denne skumlignende arkitektur i et kulstofmateriale på nanoskala, at give en fleksibel, stødabsorberende egenskab til det normalt stive materiale. "Mens kulstof normalt er skørt, arrangementet og de små størrelser af stivere i det nanoarkitekterede materiale giver anledning til en gummiagtig, bøjningsdomineret arkitektur."

Efter at have mønstret gitterstrukturen, forskerne vaskede den resterende harpiks væk og placerede den i en højtemperaturvakuumovn for at omdanne polymeren til kulstof, efterlader en ultralet, nanoarkitekteret kulstofmateriale.

Hurtigere end lydens hastighed

For at teste materialets modstandsdygtighed over for ekstrem deformation, holdet udførte mikropartikelpåvirkningseksperimenter på MIT ved hjælp af laserinducerede partikelpåvirkningstest. Teknikken sigter mod en ultrahurtig laser gennem et objektglas belagt med en tynd film af guld, som i sig selv er belagt med et lag af mikropartikler - i dette tilfælde, 14 mikron brede siliciumoxidpartikler. Når laseren passerer gennem objektglasset, det genererer et plasma, eller en hurtig udvidelse af gas fra guldet, som skubber siliciumoxidpartiklerne ud i laserens retning. Dette får mikropartiklerne til hurtigt at accelerere mod målet.

Forskerne kan justere laserens kraft for at kontrollere hastigheden af ​​mikropartikelprojektilerne. I deres eksperimenter, de udforskede en række mikropartikelhastigheder, fra 40 til 1, 100 meter i sekundet, godt inden for det supersoniske område.

"Supersonisk er alt over cirka 340 meter i sekundet, som er lydens hastighed i luften ved havoverfladen, " siger Portela. "Så, nogle eksperimenter opnåede dobbelt så høj lydhastighed, let."

Ved hjælp af et højhastighedskamera, de optog videoer af mikropartiklerne, der gjorde indvirkning med det nanoarkitekterede materiale. De havde fremstillet materiale med to forskellige densiteter - det mindre tætte materiale havde stivere lidt tyndere end det andet. Når de sammenlignede begge materialers effektrespons, de fandt, at den tættere var mere modstandsdygtig, og mikropartikler havde en tendens til at indlejre sig i materialet i stedet for at rive lige igennem.

For at se nærmere, forskerne snittede omhyggeligt de indlejrede mikropartikler og materialerne, og fundet i området lige under en indlejret partikel, var de mikroskopiske stivere og bjælker krøllet og komprimeret som reaktion på stødet, men den omgivende arkitektur forblev intakt.

"Vi viser, at materialet kan absorbere meget energi på grund af denne stødkomprimeringsmekanisme af stivere på nanoskala, i modsætning til noget, der er fuldstændig tæt og monolitisk, ikke nanoarkitektur, " siger Portela.

Interessant nok, holdet fandt ud af, at de kunne forudsige, hvilken type skade materialet ville lide ved at bruge en dimensionel analyseramme til at karakterisere planetariske påvirkninger. Ved at bruge et princip kendt som Buckingham-Π-sætningen, denne analyse tager højde for forskellige fysiske størrelser, såsom en meteors hastighed og styrken af ​​en planets overflademateriale, at beregne en "kratereffektivitet, " eller sandsynligheden for og omfanget, i hvilken en meteor vil udgrave et materiale.

Da holdet tilpassede ligningen til de fysiske egenskaber af deres nanoarkitekterede film og mikropartiklernes størrelse og hastigheder, de fandt ud af, at rammen kunne forudsige den slags påvirkninger, som deres eksperimentelle data viste.

Fremadrettet, Portela siger, at rammen kan bruges til at forudsige slagfastheden af ​​andre nanoarkitekterede materialer. Han planlægger at udforske forskellige nanostrukturerede konfigurationer, såvel som andre materialer end kulstof, og måder at opskalere deres produktion på – alt sammen med det mål at designe hårdere, lettere beskyttelsesmaterialer.

"Nanoarkitekterede materialer er virkelig lovende som påvirkningsdæmpende materialer, " siger Portela. "Der er meget, vi ikke ved om dem endnu, og vi starter denne vej til at besvare disse spørgsmål og åbne døren til deres udbredte applikationer."