Los ingenieros de Caltech, MIT y ETH Zürich han desarrollado un material de nanoarquitectura hecho de pequeños puntales de carbono que es, libra por libra, más eficaz para detener un proyectil que el Kevlar, un material comúnmente utilizado en equipos de protección personal.
Desarrollados por la científica de materiales de Caltech Julia R. Greer , los materiales de nanoarquitectura tienen una estructura diseñada a escala nanométrica y exhiben propiedades inusuales, a menudo sorprendentes, por ejemplo, cerámicas excepcionalmente livianas que vuelven a su forma original, como una esponja, después de ser comprimido.
"El conocimiento de este trabajo podría proporcionar principios de diseño para materiales ultraligeros resistentes al impacto para su uso en materiales de blindaje eficientes, revestimientos protectores y escudos resistentes a explosiones deseables en aplicaciones espaciales y de defensa", dice Greer, Ruben F. y Donna Mettler. Profesor de Ciencia de Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica, cuyo laboratorio lideró la fabricación del material. Greer es coautor correspondiente de un artículo sobre el nuevo material que se publicó en Nature Materials el 24 de junio.
El material, que es más delgado que un cabello humano, consiste en tetracaidecaedros interconectados hechos de puntales de carbono que se han formado bajo calor extremo (conocido como carbono pirolítico). Los tetracaidecaedros son estructuras con 14 caras: seis con cuatro lados y ocho con ocho lados. También se les llama "células Kelvin" porque, en 1887, Lord Kelvin (físico William Thomson, primer barón Kelvin, en cuyo honor indicamos las temperaturas absolutas en unidades de "Kelvin") sugirió que serían la mejor forma para llenar un vacío espacio tridimensional con objetos de igual tamaño utilizando una superficie mínima.
"Históricamente, esta geometría aparece en espumas que mitigan la energía", dice Carlos Portela, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT y autor principal / co-correspondiente del artículo de Nature Materials. Portela y su laboratorio investigaron el uso de estructuras similares a espuma para dar flexibilidad al carbono rígido. "Si bien el carbono es normalmente quebradizo, la disposición y los tamaños pequeños de los puntales en el material nano-arquitectónico dan lugar a una arquitectura gomosa, dominada por la flexión", dice.
Si bien la resistencia de los materiales de nanoarquitectura se ha estudiado utilizando una deformación lenta (compresión y tensión, por ejemplo), Portela quería saber cómo un material de este tipo podría sobrevivir a un impacto de alta velocidad.
Mientras realizaba un postdoctorado en Caltech en el laboratorio de Greer, Portela primero fabricó el material a partir de un polímero fotosensible mediante la litografía de dos fotones, una técnica que utiliza un láser rápido de alta potencia para solidificar y esculpir estructuras microscópicas. Luego, su equipo pirolizó las estructuras; es decir, los quemaron en un horno a una temperatura muy alta para convertir el polímero en carbón pirolítico. Los científicos crearon dos versiones del material: una más densa y otra más suelta. Luego, el laboratorio de Portela chorreó ambas versiones con partículas esféricas de óxido de silicio de 14 micrones de diámetro, una a la vez. Las partículas viajaron entre 40 y 1.100 metros por segundo; como referencia, la velocidad del sonido es de 340 metros por segundo.
Los investigadores encontraron que la versión más densa del material era más resistente, y las micropartículas tendían a incrustarse en el material en lugar de romperse directamente, como sería el caso con polímeros completamente densos o láminas de carbono del mismo grosor. Tras un examen más detenido, descubrieron que los puntales individuales que rodean directamente a la partícula se arrugarían, pero la estructura general permaneció intacta hasta que el proyectil se detuvo. Libra por libra, el nuevo material superó al acero en más del 100 por ciento y los compuestos de Kevlar en más del 70 por ciento.
"Demostramos que el material puede absorber mucha energía debido a este mecanismo de compactación de choque de puntales a nanoescala versus algo que es completamente denso y monolítico, no nano-arquitectónico", dice Portela.
Para que el material se utilice en aplicaciones del mundo real, los investigadores deberán encontrar formas de aumentar su producción y explorar cómo otros materiales de nanoarquitectura, incluidos los hechos de materiales distintos del carbono, se mantienen a alta velocidad. impactos. Mientras tanto, el estudio ha demostrado la viabilidad de los materiales de nanoarquitectura para la resistencia al impacto, abriendo una nueva vía de investigación.
Fuente: http://kni.caltech.edu/
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