Material ultraligero que resiste los impactos de micropartículas supersónicas | Noticias del MIT

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Un nuevo estudio realizado por ingenieros del MIT, Caltech y ETH Zürich muestra que los materiales 'nanoarquitecturados' [materiales diseñados a partir de estructuras de tamaño nanométrico con patrones precisos] pueden ser un camino prometedor hacia armaduras ligeras, revestimientos protectores, escudos contra explosiones y otros materiales resistentes a impactos.

Los investigadores fabricaron un material ultraligero compuesto por espaciadores de carbono a nanoescala que le dan al material dureza y resistencia mecánica. El equipo probó la elasticidad del material disparándolo con micropartículas a velocidades supersónicas y descubrió que el material, que es más delgado que el ancho de un cabello humano, evitaba que los proyectiles en miniatura lo alcanzaran.

Los investigadores calculan que, en comparación con el acero, el kevlar, el aluminio y otros materiales resistentes a los impactos de peso comparable, el nuevo material es más eficaz para absorber los golpes.

"La misma cantidad de masa de nuestro material sería mucho más efectiva para detener un proyectil que la misma cantidad de masa de Kevlar", dice el autor principal del estudio, Carlos Portela, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT.

Si se produce a gran escala, este y otros materiales nanoarquitectónicos podrían potencialmente diseñarse como alternativas más ligeras y resistentes al Kevlar y al acero.

"El conocimiento de este trabajo … podría proporcionar principios de diseño para materiales ultraligeros resistentes al impacto [para su uso en] materiales de blindaje eficaces, revestimientos protectores y escudos resistentes a explosiones deseables en aplicaciones espaciales y de defensa", dice la coautora Julia R. Greer, profesora de ciencia de materiales, mecánica e ingeniería médica en Caltech, cuyo laboratorio dirigió la fabricación del material.

El equipo, que hoy informa sus resultados en la revista Materiales naturales, incluye a David Veysset, Yuchen Sun y Keith A. Nelson, del Instituto de Nanotecnologías de Soldados y el Departamento de Química del MIT, y Dennis M. Kochmann de ETH Zürich.

De quebradizo a flexible

Un material nanoarquitecturado consta de estructuras a nanoescala con patrones que, dependiendo de cómo estén organizadas, pueden otorgar a los materiales propiedades únicas, como una ligereza y resistencia excepcionales. Como tal, los materiales de nanoarquitectura se consideran materiales potencialmente más ligeros y más resistentes a los impactos. Pero gran parte de este potencial no se ha probado.

"Solo conocemos su respuesta en un régimen de deformación lenta, mientras que se cree que gran parte de su uso práctico se da en aplicaciones del mundo real donde nada se deforma lentamente", dice Portela.

El equipo se propuso estudiar materiales nanoarquitecturados en condiciones de deformación rápida, como impactos de alta velocidad. En Caltech, primero fabricaron un material nanoarquitecturado utilizando litografía de dos fotones, una técnica que utiliza un láser rápido de alta potencia para solidificar estructuras microscópicas en una resina fotosensible. Los investigadores construyeron un patrón repetitivo conocido como tetrakaidecaedro, una configuración de celosía formada por puntales microscópicos.

"Históricamente, esta geometría aparece en espumas que atenúan la energía", explica Portela, quien eligió replicar esta arquitectura similar a una espuma en un material de carbono a nanoescala, para impartir una propiedad flexible y de absorción de impactos a un material normalmente rígido. "Si bien el carbono es normalmente quebradizo, la disposición y los pequeños tamaños de los puntales en el material nano-arquitectónico dan como resultado una arquitectura gomosa dominada por la flexión".

Después de modelar la estructura de celosía, los investigadores lavaron los restos de resina y la colocaron en un horno de vacío de alta temperatura para convertir el polímero en carbono, dejando un material de carbono ultraligero y nanoarquitecturado.

Más rápido que la velocidad del sonido

Para probar la resistencia del material a una tensión extrema, el equipo realizó experimentos de impacto de micropartículas en el MIT utilizando pruebas de impacto de partículas inducidas por láser. La técnica apunta a un láser de alta velocidad a través de un portaobjetos de vidrio cubierto con una fina capa de oro, que a su vez está cubierto con una capa de micropartículas, en este caso, partículas de oro.39; óxido de silicio de 14 micrones de ancho. A medida que el láser pasa a través del portaobjetos, genera un plasma, o una rápida expansión de gas del oro, que empuja las partículas de óxido de silicio en la dirección del láser. Esto hace que las micropartículas se aceleren rápidamente hacia el objetivo.

Los investigadores pueden ajustar la potencia del láser para controlar la velocidad de los proyectiles de micropartículas. En sus experimentos, exploraron un rango de velocidades de micropartículas, de 40 a 1100 metros por segundo, bien en el rango supersónico.

"Supersónico es algo por encima de unos 340 metros por segundo, que es la velocidad del sonido en el aire al nivel del mar", dice Portela. “Así que algunos experimentos alcanzaron fácilmente el doble de velocidad del sonido. "

Usando una cámara de alta velocidad, capturaron videos de las micropartículas impactando el material nanoarquitecturado. Habían hecho un material de dos densidades diferentes: el material menos denso tenía espaciadores ligeramente más delgados que el otro. Cuando compararon la respuesta al impacto de los dos materiales, encontraron que el más denso era más resistente y las micropartículas tendían a incrustarse en el material en lugar de romperse directamente en el material.

Para ver más de cerca, los investigadores cortaron cuidadosamente las micropartículas y los materiales incrustados, y encontraron en la región justo debajo de una partícula incrustada que los puntales y las vigas microscópicas se habían arrugado y compactado en respuesta al impacto, pero la arquitectura circundante se mantuvo. intacto.

colisión a microescala

colisión a nanoescala
Usando una cámara de alta velocidad, los investigadores capturaron videos de las micropartículas impactando el material nanoarquitecturado.

"Demostramos que el material puede absorber mucha energía debido a este mecanismo de compactación de impacto de puntales a nanoescala, en comparación con algo que es completamente denso y monolítico, y no con nanoarquitectura", explica Portela.

Curiosamente, el equipo descubrió que podían predecir el tipo de daño que experimentaría el material mediante el uso de un marco de análisis dimensional para caracterizar los impactos planetarios. Usando un principio conocido como el teorema de Buckingham-Π, este análisis toma en cuenta varias cantidades físicas, como la velocidad de un meteoro y la fuerza del material de la superficie de un planeta, para calcular la "eficiencia del cráter", o la probabilidad y excavará un material.

Cuando el equipo adaptó la ecuación a las propiedades físicas de su película nanoarquitecturada, así como al tamaño y la velocidad de las micropartículas, encontraron que el marco podía predecir el tipo de impactos mostrados por sus datos experimentales.

En el futuro, Portela dice que el marco se puede utilizar para predecir la resistencia al impacto de otros materiales nanoarquitectónicos. Planea explorar diversas configuraciones nanoestructuradas, así como otros materiales más allá del carbono, y formas de incrementar su producción, todo con el objetivo de diseñar materiales protectores más fuertes y más ligeros.

“Los materiales de nanoarquitectura realmente se muestran prometedores como materiales de mitigación de impactos”, dice Portela. "Todavía no sabemos mucho sobre ellos, y estamos comenzando este viaje para responder estas preguntas y abrir la puerta a sus aplicaciones generalizadas".

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., La Beca de la Facultad Vannevar Bush y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. A través del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.

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