Vật liệu nano mới chống lại tác động của đạn tốt hơn so với Kevlar

Mỏng hơn sợi tóc người, vật liệu mới có thể hấp thụ các tác động từ các vi hạt di chuyển với tốc độ siêu âm.

Các kỹ sư tại Caltech, MIT và ETH Zürich đã phát triển một loại vật liệu có cấu trúc nano được làm từ các thanh chống cacbon nhỏ, có kích thước tương đương pound, hiệu quả hơn trong việc ngăn chặn đường đạn so với Kevlar, một vật liệu thường được sử dụng trong đồ bảo hộ cá nhân.

Được tiên phong bởi nhà khoa học vật liệu Caltech Julia R. Greer, các vật liệu được kiến trúc nano có cấu trúc được thiết kế ở quy mô nanomet và thể hiện các đặc tính bất thường, thường gây ngạc nhiên — ví dụ, gốm sứ nhẹ đặc biệt có thể trở lại hình dạng ban đầu, giống như một miếng bọt biển, sau khi được nén.

Greer, Ruben F. và Donna Mettler cho biết: “Kiến thức từ công trình này có thể cung cấp các nguyên tắc thiết kế cho các vật liệu siêu nhẹ chống va đập để sử dụng trong các vật liệu áo giáp hiệu quả, lớp phủ bảo vệ và lá chắn chống nổ mong muốn trong các ứng dụng quốc phòng và vũ trụ,” Greer, Ruben F. và Donna Mettler cho biết Giáo sư Khoa học Vật liệu, Cơ học và Kỹ thuật Y học, người có phòng thí nghiệm dẫn đầu việc chế tạo vật liệu. Greer là đồng tác giả của bài báo về vật liệu mới được xuất bản trên Nature Materials .

Vật liệu mỏng hơn sợi tóc người, bao gồm các tứ diện liên kết với nhau được tạo ra từ các thanh chống cacbon được hình thành dưới nhiệt độ cực cao (được gọi là cacbon nhiệt phân). Khối tứ diện là cấu trúc có 14 mặt: 6 mặt với 4 mặt và 8 mặt với 8 mặt. Chúng còn được gọi là “tế bào Kelvin” bởi vì, vào năm 1887, Lord Kelvin (nhà vật lý William Thomson, Nam tước Kelvin thứ nhất, người mà chúng tôi vinh dự nêu nhiệt độ tuyệt đối theo đơn vị “Kelvin”) đã gợi ý rằng chúng sẽ là hình dạng tốt nhất để lấp đầy một ô trống không gian ba chiều với các đối tượng có kích thước bằng nhau sử dụng diện tích bề mặt tối thiểu.

Carlos Portela (MS ’16, PhD ’19), trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT và là tác giả chính / đồng tác giả của bài báo Nature Materials, cho biết: “Trong lịch sử, hình học này xuất hiện trong các bọt giảm thiểu năng lượng. Portela và phòng thí nghiệm của ông đã nghiên cứu việc sử dụng các cấu trúc giống như bọt để tạo sự linh hoạt cho carbon cứng. Ông nói: “Trong khi carbon thường giòn, sự sắp xếp và kích thước nhỏ của các thanh chống trong vật liệu được cấu trúc nano tạo ra một kiến trúc cao su, chịu uốn cong,” ông nói.

Trong khi độ bền của vật liệu cấu trúc nano đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng biến dạng chậm (ví dụ như nén và căng), Portela muốn biết làm thế nào một vật liệu như vậy có thể sống sót sau một tác động tốc độ cao.

Trong khi làm postdoc tại Caltech trong phòng thí nghiệm Greer, Portela lần đầu tiên chế tạo vật liệu từ polyme cảm quang bằng cách sử dụng kỹ thuật in thạch bản hai photon, một kỹ thuật sử dụng tia laser công suất cao nhanh để làm rắn chắc và điêu khắc các cấu trúc cực nhỏ. Nhóm của ông sau đó đã nung các cấu trúc; tức là họ đốt chúng trong lò ở nhiệt độ rất cao để chuyển polyme thành cacbon nhiệt phân. Các nhà khoa học đã tạo ra hai phiên bản của vật liệu: một đặc hơn và một lỏng hơn. Phòng thí nghiệm của Portela sau đó cho nổ cả hai phiên bản bằng các hạt ôxít silicon hình cầu đường kính 14 micron, mỗi lần một hạt. Các hạt di chuyển với tốc độ từ 40 đến 1.100 mét / giây; để tham khảo, tốc độ âm thanh là 340 mét trên giây.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng phiên bản dày đặc hơn của vật liệu có khả năng đàn hồi cao hơn, với các vi hạt có xu hướng nhúng vào vật liệu hơn là xé thẳng qua, như trường hợp của các tấm polyme dày đặc hoàn toàn hoặc các tấm carbon có cùng độ dày. Khi kiểm tra kỹ hơn, họ phát hiện ra rằng các thanh chống riêng lẻ trực tiếp bao quanh hạt sẽ bị vỡ vụn, nhưng cấu trúc tổng thể vẫn nguyên vẹn cho đến khi đường đạn dừng lại. Tính theo pound, vật liệu mới có hiệu suất tốt hơn thép hơn 100% và vật liệu tổng hợp Kevlar hơn 70%.

Portela cho biết: “Chúng tôi cho thấy vật liệu có thể hấp thụ rất nhiều năng lượng do cơ chế nén xung kích của các thanh chống ở kích thước nano so với một thứ hoàn toàn dày đặc và nguyên khối, không phải cấu trúc nano”.

Để vật liệu được sử dụng trong các ứng dụng trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu tiếp theo sẽ cần phải tìm cách mở rộng quy mô sản xuất và khám phá cách các vật liệu có cấu trúc nano khác, bao gồm cả những vật liệu làm từ vật liệu khác ngoài carbon, được duy trì ở tốc độ cao các tác động. Đồng thời, nghiên cứu đã chứng minh khả năng tồn tại của vật liệu cấu trúc nano đối với khả năng chống va đập, mở ra một hướng nghiên cứu mới.

Để biết thêm về nghiên cứu này, hãy đọc Tougher Than Kevlar và Steel: Vật liệu siêu nhẹ chịu được tác động của hạt vi mô siêu thanh.

Tham khảo: “Khả năng phục hồi tác động siêu âm của carbon cấu trúc nano” của Carlos M. Portela, Bryce W. Edwards, David Veysset, Yuchen Sun, Keith A. Nelson, Dennis M. Kochmann và Julia R. Greer, 24/6/2021, Nature Materials .
DOI: 10.1038 / s41563-021-01033-z

Đồng tác giả bao gồm Bryce Edwards, cựu sinh viên tốt nghiệp của Caltech; David Veysset, Yuchen Sun, và Keith A. Nelson thuộc Viện Công nghệ nano cho người lính của MIT và khoa hóa học; và Dennis M. Kochmann của ETH Zürich. Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Học bổng Khoa Vannevar Bush, và Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ thông qua Viện Công nghệ Nano cho Người lính tại MIT.

Theo Scitechdaily