Opdagelse giver superhård, stærke nanofibre

University of Nebraska-Lincoln materialeingeniører har udviklet en strukturel nanofiber, der er både stærk og sej, en opdagelse, der kunne forvandle alt fra fly og broer til panser og cykler.

Deres resultater er vist på forsiden af ​​denne uges apriludgave af American Chemical Societys tidsskrift, ACS Nano .

"Alt hvad der er lavet af kompositter, kan drage fordel af vores nanofibre, " sagde holdets leder, Yuris Dzenis, McBroom professor i mekanik og materialeteknik og medlem af UNL's Nebraska Center for Materialer og Nanovidenskab.

"Vores opdagelse tilføjer en ny materialeklasse til den meget udvalgte nuværende familie af materialer med demonstreret samtidig høj styrke og sejhed."

I konstruktionsmaterialer, konventionel visdom hævder, at styrke kommer på bekostning af sejhed. Styrke refererer til et materiales evne til at bære en byrde. Et materiales sejhed er den mængde energi, der skal til for at bryde det; så jo mere et materiale buler, eller deformeres på en eller anden måde, jo mindre sandsynlighed er det for at gå i stykker. En keramisk plade, for eksempel, kan bære aftensmaden til bordet, men går i stykker, hvis den tabes, fordi den mangler sejhed. En gummibold, på den anden side, er let presset ud af form, men går ikke i stykker, fordi det er hårdt, ikke stærk. Typisk, styrke og sejhed udelukker hinanden.

Dzenis og kolleger udviklede et usædvanligt tyndt polyakrilonitril nanofiber, en type syntetisk polymer relateret til akryl, ved hjælp af en teknik kaldet elektrospinning. Processen involverer at påføre højspænding til en polymeropløsning, indtil en lille stråle af væske kommer ud, resulterer i en kontinuerlig længde af nanofiber.

De opdagede, at ved at gøre nanofiberen tyndere, end man havde gjort før, den blev ikke kun stærkere, som forventet, men også hårdere.

Dzenis foreslog, at sejhed kommer fra nanofibrenes lave krystallinitet. Med andre ord, det har mange områder, der er strukturelt uorganiserede. Disse amorfe områder tillader molekylekæderne at glide mere rundt, giver dem mulighed for at absorbere mere energi.

De fleste avancerede fibre har færre amorfe områder, så de går forholdsvis let i stykker. I et fly, som bruger mange kompositmaterialer, et brat brud kan forårsage et katastrofalt styrt. For at kompensere, ingeniører bruger mere materiale, som laver fly, og andre produkter, tungere.

"Hvis strukturelle materialer var hårdere, man kunne gøre produkter mere lette og stadig være meget sikre, " sagde Dzenis.

Rustning, såsom skudsikre veste, kræver også et materiale, der er både stærkt og sejt. "For at stoppe kuglen, du har brug for materialet for at kunne absorbere energi før fejl, og det er hvad vores nanofibre vil gøre, " han sagde.