Multifunktionel nanofiber beskytter mod eksplosioner

Siden Første Verdenskrig, langt størstedelen af ​​amerikanske kampskade er ikke kommet fra skudsår, men fra eksplosioner. I dag, de fleste soldater bærer en tung, skudsikker vest for at beskytte deres torso, men meget af deres krop forbliver udsat for det vilkårlige formål med eksplosive fragmenter og granatsplinter.

At designe udstyr til at beskytte ekstremiteter mod de ekstreme temperaturer og dødbringende projektiler, der ledsager en eksplosion, har været vanskeligt på grund af en grundlæggende egenskab ved materialer. Materialer, der er stærke nok til at beskytte mod ballistiske trusler, kan ikke beskytte mod ekstreme temperaturer og omvendt. Som resultat, meget af nutidens beskyttelsesudstyr er sammensat af flere lag af forskellige materialer, fører til omfangsrige, tungt udstyr, hvis det bæres på arme og ben, ville i høj grad begrænse en soldats mobilitet.

Nu, Harvard University forskere, i samarbejde med U.S. Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) og West Point, har udviklet en letvægts, multifunktionelt nanofibermateriale, der kan beskytte bærere mod både ekstreme temperaturer og ballistiske trusler.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Stof .

"Da jeg var i kamp i Afghanistan, Jeg så på egen hånd, hvordan rustning kunne redde liv, " sagde seniorforfatter Kit Parker, Tarr-familiens professor i bioteknik og anvendt fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og en oberstløjtnant i United States Army Reserve. "Jeg så også, hvordan tung rustning kunne begrænse mobiliteten. Som soldater på slagmarken, de tre primære opgaver er at flytte, skyde, og kommunikere. Hvis du begrænser en af ​​dem, du mindsker overlevelsesevnen, og du bringer missionssucces i fare."

"Vores mål var at designe et multifunktionelt materiale, der kunne beskytte en person, der arbejder i et ekstremt miljø, såsom en astronaut, brandmand eller soldat, fra de mange forskellige trusler, de står over for, " sagde Grant M. Gonzalez, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret.

For at nå dette praktiske mål, forskerne havde brug for at udforske afvejningen mellem mekanisk beskyttelse og termisk isolering, egenskaber forankret i et materiales molekylære struktur og orientering.

Materialer med stærk mekanisk beskyttelse, såsom metaller og keramik, har en meget ordnet og afstemt molekylær struktur. Denne struktur giver dem mulighed for at modstå og distribuere energien fra et direkte slag. Isoleringsmaterialer, på den anden side, har en meget mindre ordnet struktur, som forhindrer transmission af varme gennem materialet.

Kevlar og Twaron er kommercielle produkter, der anvendes i vid udstrækning i beskyttelsesudstyr og kan give enten ballistisk eller termisk beskyttelse, afhængig af hvordan de er fremstillet. Vævet Kevlar, for eksempel, har en meget afstemt krystallinsk struktur og bruges i beskyttende skudsikre veste. Porøse Kevlar aerogeler, på den anden side, har vist sig at have høj varmeisolering.

"Vores idé var at bruge denne Kevlar-polymer til at kombinere det vævede, ordnet struktur af fibre med porøsiteten af ​​aerogel til at gøre lange, kontinuerlige fibre med porøst mellemrum imellem, " sagde Gonzalez. "I dette system, de lange fibre kunne modstå en mekanisk påvirkning, mens porerne ville begrænse varmediffusion."

Forskerholdet brugte immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS), en teknik udviklet af Parkers Disease Biophysics Group, at fremstille fibrene. I denne teknik, en flydende polymeropløsning fyldes i et reservoir og skubbes ud gennem en lille åbning ved centrifugalkraft, mens enheden roterer. Når polymeropløsningen skyder ud af reservoiret, det passerer først gennem et område med fri luft, hvor polymererne forlænges og kæderne flugter. Så rammer opløsningen et væskebad, der fjerner opløsningsmidlet og udfælder polymererne for at danne faste fibre. Da badet også snurrer – som vand i en salatspinner – følger nanofibrene strømmen af ​​hvirvelen og vikler sig rundt om en roterende opsamler i bunden af ​​enheden.

Ved at justere viskositeten af ​​den flydende polymeropløsning, forskerne var i stand til at spinde længe, justerede nanofibre til porøse plader - giver tilstrækkelig orden til at beskytte mod projektiler, men nok uorden til at beskytte mod varme. Om cirka 10 minutter, holdet kunne spinde ark på omkring 10 gange 30 centimeter i størrelse.

For at teste arkene, Harvard-holdet henvendte sig til deres samarbejdspartnere for at udføre ballistiske tests. Forskere ved CCDC SC i Natick, Massachusetts simulerede granatsplinter ved at skyde store, BB-lignende projektiler ved prøven. Holdet udførte test ved at klemme nanofiberpladerne mellem plader af vævet Twaron. De observerede ringe forskel i beskyttelse mellem en stak af alle vævede Twaron-plader og en kombineret stak af vævede Twaron- og spundne nanofibre.

"Kompetencerne i CCDC SC giver os mulighed for at kvantificere vores fibres succes ud fra perspektivet af beskyttelsesudstyr til krigssoldater, specifikt, " sagde Gonzalez.

"Akademiske samarbejder, især dem med fornemme lokale universiteter som Harvard, give CCDC SC mulighed for at udnytte banebrydende ekspertise og faciliteter til at øge vores egne F&U-kapaciteter, " sagde Kathleen Swana, en forsker ved CCDC SC og en af ​​papirets forfattere. "CCDC SC, til gengæld, leverer værdifuld videnskabelig og soldat-centreret ekspertise og testkapaciteter for at hjælpe med at drive forskningen fremad."

Ved test for termisk beskyttelse, forskerne fandt, at nanofibrene gav 20 gange varmeisoleringsevnen af ​​kommercielle Twaron og Kevlar.

"Selvom der er forbedringer, der kunne foretages, vi har rykket grænserne for, hvad der er muligt, og er begyndt at flytte feltet mod denne form for multifunktionelt materiale, " sagde Gonzalez.

"Vi har vist, at du kan udvikle meget beskyttende tekstiler til mennesker, der arbejder skadeligt, " sagde Parker. "Vores udfordring nu er at udvikle de videnskabelige fremskridt til innovative produkter til mine brødre og søstre i våben."

Harvard's Office of Technology Development har indgivet en patentansøgning for teknologien og søger aktivt kommercialiseringsmuligheder.