Koristeći nano-ugljikove nosače, novi materijal pokazuje iznimnu žilavost i mehaničku robusnost. Materijal je testiran gađanjem mikročestica nadzvučnim brzinama kako bi se utvrdila deformacija.
Debljine manje od debljine ljudske kose, nanomaterijal je uspio spriječiti prodiranje malenih ultrazvučnih čestica velikom brzinom. Prema znanstvenicima ovo novo nano-tehnološko otrkiće nadmašuje sve dosada nam poznaze najčvršće materijale poput čelika, kevlara, ali i mnoge druge materijalima slične težine.
“Naš materijal bi s istom masom bio mnogo učinkovitiji u zaustavljanju projektila od Kevlara,” izjavljuje glavni autor studije, Carlos Portela, docent strojarstva na MIT-u.
To bi moglo značiti da bi, ako se proizvede u većim količinama, novi materijal mogao pružiti izuzetno čvrstu, a laganu alternativu uobičajenim materijalima otpornim na udarce (poput Kevlara ili čelične ploče).
“Znanje iz ovog rada može pružiti osnovna načela za dizajn iznimno laganih materijala otpornih na udarce, a za upotrebu u učinkovitim oklopnim materijalima, zaštitnim premazima i protueksplozivnim štitovima poželjnima u obrani. I u svemirskim aplikacijama,” dodaje suautorica studije Julia R. Greer, profesorica materijalne znanosti, mehanike i medicinskog inženjeringa na Caltechu.
Inženjeri su testirali čvrstoću novog materijala eksponirajući ga supersoničnim česticama i proučavajući njegovu reakciju. Materijal je izrađen pomoću dvofotonske litografije kako bi se stvorio tetrakaidekahedron (rešetkasta konfiguracija sastavljena od mikroskopskih nosača).
Autori studije napominju da je takva struktura povijesno korištena u pjenama koje apsorbiraju energiju. Razlog tome je što je ugljik obično krhak, ali ova 3D struktura bi mu trebala pružiti potrebnu fleksibilnost da se brzo deformira, a bez potpunog lomljenja.
Nakon izrade, materijal je očišćen od preostalog smolastog materijala, a zatim pečen u vakuumskoj peći visoke temperature kako bi se polimer pretvorio u ultralaganu nanostrukturu čistog ugljika.
Zatim je podvrgnut visokoenergetskim udarcima 14-mikronskih čestica silicijevog oksida. Čestice su ubrzane na supersoničke brzine pomoću lasera usmjerenog kroz stakleni klizač presvučen zlatom i silicijevim oksidom.
Taj proces stvara plazmu iz zlata koja gura čestice silicijevog oksida u smjeru lasera – i to velikom brzinom. Ovaj sustav omogućava istraživačima precizno mjerenje brzine ispaljenih mikročestica kako bi testirali brzine od 40 m/s do 1100 m/s.
Za usporedbu, brzina zvuka je 340 m/s, na razini mora.
Udarci su snimani visokobrzinskim kamerama, a rezultati detaljno proučavani kako bi se što točnije urvrdila reakcija nanomaterijala.
Koristeći u dvije različite gustoće, otkrili su da je gušća varijanta (s debljim nosačima) otpornija, te su se čestice češće ukopavale u materijal umjesto da ga probijaju.
Daljnjim proučavanjem, uključujući i Buckingham-Π teorem, koji se obično koristi za proučavanje meteoritskih udara, znanstvenici mogu čak i predvidjeti kako će materijal reagirati.
“Nano arhitektonski materijali zaista obećavaju kao materijali za ublažavanje raznih udaraca,” kaže Portela. “Još uvijek ima puno toga što ne znamo o njima, a započinjemo ovaj rad kako bismo si odgovorili na mnoga pitanja i otvorili vrata široj primjeni.“