El nuevo súper material liviano podría combatir las balas y desviar los desechos espaciales

Ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado un material de nanofibras que supera a sus contrapartes ampliamente utilizadas, incluidas las placas de acero y la tela Kevlar, en la protección contra impactos de proyectiles de alta velocidad.

Básicamente, es mejor que a prueba de balas.

«Nuestras esteras de nanofibras exhiben propiedades protectoras que superan con creces a otros sistemas de materiales con un peso mucho más ligero», dice Ramathasan Thevamaran, profesor asistente de física de la UW-Madison que dirigió la investigación.

Él y sus colaboradores detallaron los avances en un artículo publicado recientemente en la revista ACS Nano.

Para crear el material, Thevamaran y el investigador postdoctoral Jizhe Cai mezclaron nanotubos de carbono de pared múltiple (cilindros de carbono de un solo átomo de espesor en cada capa) con nanofibras de Kevlar. Las esteras de nanofibras resultantes son superiores para disipar la energía de impacto de pequeños proyectiles que viajan más rápido que la velocidad del sonido.

Este avance sienta las bases para el uso de nanotubos de carbono en materiales de blindaje livianos y de alto rendimiento, por ejemplo, en chalecos antibalas para proteger mejor al usuario o en escudos alrededor de naves espaciales para mitigar el daño causado por el vuelo de microdesechos a alta velocidad.

«Los materiales nanofibrosos son muy atractivos para las aplicaciones de protección porque las fibras a nanoescala tienen una resistencia, dureza y rigidez excepcionales en comparación con las fibras a macroescala», dice Thevamaran. «Las esteras de nanotubos de carbono han mostrado la mejor absorción de energía hasta ahora y queríamos ver si podíamos mejorar su rendimiento aún más».

Encontraron la química adecuada. El equipo sintetizó nanofibras de Kevlar e incorporó una pequeña cantidad en sus esteras de nanotubos de carbono, lo que creó enlaces de hidrógeno entre las fibras. Estos enlaces de hidrógeno cambiaron las interacciones entre las nanofibras y, junto con la combinación correcta de nanofibras de Kevlar y nanotubos de carbono, provocaron un aumento espectacular en el rendimiento general del material.

«El enlace de hidrógeno es un enlace dinámico, lo que significa que puede romperse y reformarse continuamente, lo que le permite disipar una gran cantidad de energía a través de este proceso dinámico», dice Thevamaran. “Además, los enlaces de hidrógeno imparten más rigidez a esta interacción, lo que fortalece y endurece la estera de nanofibras. Cuando modificamos las interacciones interfaciales en nuestros tapetes agregando nanofibras de Kevlar, pudimos lograr una mejora de casi el 100 % en el rendimiento de disipación de energía a ciertas velocidades de impacto supersónico.

Trae las bolas. Los investigadores probaron su nuevo material utilizando un sistema de prueba de impacto de microproyectiles inducido por láser en el laboratorio de Thevamaran. Uno de los pocos como este en los Estados Unidos, el sistema utiliza láseres para disparar microbalas en muestras de material.

«Nuestro sistema está diseñado de tal manera que podemos tomar una sola bala bajo el microscopio y dispararla contra el objetivo de una manera muy controlada, con una velocidad muy controlada que puede variar de 100 metros por segundo a más de un kilómetro por segundo «, dice Thevamaran. «Esto nos permitió realizar experimentos en una escala de tiempo en la que pudimos observar la respuesta del material, a medida que ocurren las interacciones de los enlaces de hidrógeno».

Además de su resistencia al impacto, otra ventaja del nuevo material de nanofibras es que, al igual que el Kevlar, es estable a temperaturas muy altas y muy bajas, lo que lo hace útil para aplicaciones en una amplia gama de entornos extremos.