Novo nanomaterial resiste ao impacto do projétil melhor do que o Kevlar

Novo nanomaterial resiste ao impacto do projétil melhor do que o Kevlar

Material Nanoarquitatado Resistente ao Impacto

Engenheiros do MIT, Caltech e ETH Zürich descobrem que materiais “nanoarquitectados” projetados a partir de estruturas em nanoescala precisamente padronizadas (foto) podem ser um caminho promissor para armaduras leves, revestimentos de proteção, escudos de explosão e outros materiais resistentes a impactos. Crédito: Cortesia dos pesquisadores

Mais fino que um cabelo humano, o novo material pode absorver impactos de micropartículas que viajam a velocidades supersônicas.

Engenheiros da Caltech, MIT, e a ETH Zürich desenvolveram um material nano-arquitetado feito de minúsculos suportes de carbono que é, quilo por quilo, mais eficaz para parar um projétil do que o Kevlar, um material comumente usado em equipamentos de proteção pessoal.

Lançados pela cientista de materiais da Caltech Julia R. Greer, os materiais nanoarquitetados têm uma estrutura projetada em escala nanométrica e exibem propriedades incomuns e muitas vezes surpreendentes – por exemplo, cerâmicas excepcionalmente leves que voltam à sua forma original, como uma esponja, depois de ser compactado.

“O conhecimento deste trabalho pode fornecer princípios de design para materiais ultraleves resistentes ao impacto para uso em materiais de blindagem eficientes, revestimentos de proteção e escudos resistentes a explosões desejáveis ​​em aplicações de defesa e espaciais”, diz Greer, o Ruben F. e Donna Mettler Professor de Ciência dos Materiais, Mecânica e Engenharia Médica, cujo laboratório liderou a fabricação do material. Greer é co-autora correspondente de um artigo sobre o novo material que foi publicado em Materiais da Natureza.

Micropartículas supersônicas de resiliência de nanomateriais

A equipe testou a resiliência do material disparando micropartículas em velocidades supersônicas e descobriu que o material, que é mais fino do que a largura de um cabelo humano, evitou que os projéteis em miniatura o rasgassem. Crédito: Cortesia dos pesquisadores

O material, que é mais fino do que um fio de cabelo humano, consiste em tetrakaidecaedros interconectados feitos de suportes de carbono que foram formados sob calor extremo (conhecido como carbono pirolítico). Os tetrakaidecaedros são estruturas com 14 faces: seis com quatro lados e oito com oito lados. São também chamadas de “células Kelvin” porque, em 1887, Lord Kelvin (físico William Thomson, 1º Barão Kelvin, em cuja homenagem declaramos as temperaturas absolutas em unidades de “Kelvin”) sugeriu que seriam a melhor forma para preencher um vazio espaço tridimensional com objetos de tamanhos iguais usando área de superfície mínima.

“Historicamente, essa geometria aparece em espumas mitigadoras de energia, diz Carlos Portela (MS ’16, PhD ’19), professor assistente de engenharia mecânica do MIT e autor principal / co-correspondente do Materiais da Natureza papel. Portela e seu laboratório investigaram o uso de estruturas semelhantes a espuma para dar flexibilidade ao carbono rígido. “Embora o carbono seja normalmente frágil, o arranjo e os pequenos tamanhos das escoras no material nano-arquitetado dão origem a uma arquitetura de borracha dominada por dobras”, diz ele.

Enquanto a resistência dos materiais nanoarquitetados tem sido estudada usando deformação lenta (compressão e tensão, por exemplo), Portela queria saber como tal material poderia sobreviver a um impacto de alta velocidade.

Micropartículas que impactam o material nanoarquitetado

Micropartículas que impactam o material nanoarquitetado do MIT

Usando uma câmera de alta velocidade, os pesquisadores capturaram vídeos das micropartículas causando impacto com o material nanoarquitectado. Crédito: MIT / Cortesia dos pesquisadores

Enquanto fazia pós-doutorado na Caltech no laboratório Greer, Portela primeiro fabricou o material de polímero fotossensível usando litografia de dois fótons, uma técnica que usa um laser rápido de alta potência para solidificar e esculpir estruturas microscópicas. Sua equipe então pirolisou as estruturas; isto é, eles os queimam em um forno em uma temperatura muito alta para converter o polímero em carbono pirolítico. Os cientistas criaram duas versões do material: uma mais densa e outra mais solta. O laboratório de Portela então explodiu ambas as versões com partículas esféricas de óxido de silício de 14 mícrons de diâmetro, uma de cada vez. As partículas viajaram entre 40 e 1.100 metros por segundo; para referência, a velocidade do som é de 340 metros por segundo.

Os pesquisadores descobriram que a versão mais densa do material era mais resistente, com as micropartículas tendendo a se incorporar ao material em vez de rasgar, como seria o caso com polímeros totalmente densos ou folhas de carbono da mesma espessura. Examinando mais de perto, eles descobriram que os suportes individuais em torno da partícula se dobrariam, mas a estrutura geral permaneceu intacta até que o projétil parasse. Libra por libra, o novo material superou o aço em mais de 100 por cento e os compósitos de Kevlar em mais de 70 por cento.

“Mostramos que o material pode absorver muita energia por causa desse mecanismo de compactação de choque de suportes em nanoescala versus algo que é totalmente denso e monolítico, não nano-arquitetado”, diz Portela.

Para que o material seja usado em aplicações do mundo real, os pesquisadores em seguida precisarão encontrar maneiras de aumentar sua produção e explorar como outros materiais nanoarquitetados, incluindo aqueles feitos de materiais diferentes de carbono, resistem à alta velocidade impactos. Nesse ínterim, o estudo demonstrou a viabilidade de materiais nanoarquitetados para resistência ao impacto, abrindo um novo caminho de pesquisa.

Para mais informações sobre esta pesquisa, leia Mais resistente que o Kevlar e o aço: o material ultraleve resiste a impactos de micropartículas supersônicas.

Referência: “Supersonic impact resilience of nanoarquitected carbon” por Carlos M. Portela, Bryce W. Edwards, David Veysset, Yuchen Sun, Keith A. Nelson, Dennis M. Kochmann e Julia R. Greer, 24 de junho de 2021, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038 / s41563-021-01033-z

Os co-autores incluem o ex-aluno de graduação da Caltech Bryce Edwards; David Veysset, Yuchen Sun e Keith A. Nelson do MIT’s Institute for Soldier Nanotechnologies e do departamento de química; e Dennis M. Kochmann da ETH Zürich. Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Office of Naval Research, a Vannevar Bush Faculty Fellowship e o US Army Research Office por meio do Institute for Soldier Nanotechnologies no MIT.

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