Niesamowicie wytrzymały materiał. Zatrzyma nawet pocisk

Wspólne siły inżynierów z trzech prestiżowych placówek – MIT, Caltechu oraz Politechniki Federalnej w Zurychu – pozwoliły na opracowanie nowego, niesamowicie wytrzymałego materiału opartego o węgiel.

Projekt zakładał wykorzystanie nanoarchitektury, czyli uzyskanie określonych właściwości fizycznych materiału, poprzez formowanie z pojedynczych molekuł miniaturowych konstrukcji. W ten sposób otrzymano podstawę dla elastycznego tworzywa o grubości mniejszej od ludzkiego włosa.

Badania zostały zapoczątkowane kilka lat temu przez Julię Greer z Caltechu, a następnie kontynuowane przez Carlosa Portela z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT. Naukowcy sięgali po atomy węgla, łącząc je w jak najbardziej efektywne geometryczne struktury. Szczególnie obiecujące właściwości wykazał kształt tetradekahedronu, czyli skomplikowanej bryły o 14. ścianach. Co ciekawe, figura ta pojawiła się już ponad sto lat temu w pracach słynnego Lorda Kelvina.

Zespół Portela "wyrzeźbił" pożądane struktury za pomocą lasera, a następnie dokonał pirolizy (suchej destylacji) poddając je działaniu bardzo wysokiej temperatury. Regulując parametry procesu inżynierowie wykonali od razu dwa warianty materiału: gęstszy i bardziej luźny.

Następnie przyszedł czas na testy. Autorów badania interesowało nie tylko standardowe zginanie i rozciąganie, ale także odporność na uderzenia mechaniczne. W tym celu uzyskane tworzywo ostrzelano molekułami tlenku krzemu o średnicy 14 mikrometrów (milionowych części metra). Maleńkie pociski pędziły z prędkością do 1100 m/s (3960 km/h), co daje niemal czterokrotność prędkości dźwięku.

Eksperyment wykazał, że gęstszy wariant cechuje większa sprężystość. Cząsteczki utykały w takiej przeszkodzie, zamiast przebić ją na wylot. "Pokazujemy, że materiał może pochłaniać dużo energii dzięki mechanizmowi zagęszczania rozpórek w nanoskali, w odróżnieniu od materiału monolitycznego, bez użycia nanoarchitektury" – twierdzi Portela.

Szczególna odporność na gwałtowne uderzenia, pozwala sądzić, że nowatorskie tworzywo błyskawicznie znajdzie zastosowanie w militariach oraz branży kosmicznej. Obecnie większość kamizelek kuloodpornych, hełmów i innych osłon korzysta z powłok kevlarowych.

Inżynierowie chwalą się, że ich dzieło przewyższy walory ochronne używanych aktualnie polimerów nawet o 70%. Na razie jednak, muszą znaleźć sposób jego produkcji na skalę przemysłową.

Więcej informacji znajdziesz w oryginalnej publikacji: C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon, "Nature Material", https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z