En ny studie av ingenjörer vid MIT, Caltech, och ETH Zürich visar att "nanoarkitekterade" material - material designade från exakt mönstrade strukturer i nanoskala - kan vara en lovande väg till lätt rustning, skyddande beläggningar, sprängsköldar, och andra slagtåliga material.

Forskarna har tillverkat ett ultralätt material tillverkat av kolstag i nanometerskala som ger materialet seghet och mekanisk robusthet. Teamet testade materialets motståndskraft genom att skjuta det med mikropartiklar i överljudshastigheter, och fann att materialet, som är tunnare än ett människohårs bredd, hindrade miniatyrprojektilerna från att slita igenom den.

Forskarna beräknar att jämfört med stål, Kevlar, aluminium, och andra slagtåliga material med jämförbar vikt, det nya materialet är mer effektivt för att absorbera stötar.

"Samma mängd massa av vårt material skulle vara mycket effektivare för att stoppa en projektil än samma mängd Kevlar, " säger studiens huvudförfattare, Carlos Portela, biträdande professor i maskinteknik vid MIT.

Om den produceras i stor skala, detta och andra nanoarkitekterade material skulle potentiellt kunna utformas som lättare, tuffare alternativ till Kevlar och stål.

"Kunskapen från detta arbete... skulle kunna ge designprinciper för ultralätta slagtåliga material [för användning i] effektiva pansarmaterial, skyddande beläggningar, och sprängbeständiga sköldar som är önskvärda i försvars- och rymdtillämpningar, " säger medförfattaren Julia R. Greer, professor i materialvetenskap, mekanik, och medicinteknik på Caltech, vars labb ledde materialets tillverkning.

Laget, som rapporterar sina resultat i dag i tidskriften Naturmaterial , inkluderar David Veysset, Yuchen Sun, och Keith A. Nelson, vid MIT:s Institute for Soldier Nanotechnologies och Department of Chemistry, och Dennis M. Kochmann från ETH Zürich.

Från spröd till böjig

Ett nanoarkitektat material består av mönstrade strukturer i nanometerskala som, beroende på hur de är ordnade, kan ge material unika egenskaper som exceptionell lätthet och spänst. Som sådan, nanoarkitekterade material ses som potentiellt lättare, tuffare slagtåliga material. Men denna potential har till stor del varit oprövad.

"Vi vet bara om deras svar i en regim med långsam deformation, En stor del av deras praktiska användning antas vara i verkliga tillämpningar där ingenting deformeras långsamt, säger Portela.

Teamet satte sig för att studera nanoarkitekterade material under förhållanden med snabb deformation, som vid höghastighetspåverkan. På Caltech, de tillverkade först ett nanoarkitektat material med tvåfotonlitografi, en teknik som använder en snabb, kraftfull laser för att stelna mikroskopiska strukturer i ett ljuskänsligt harts. Forskarna konstruerade ett upprepande mönster som kallas en tetrakaidecahedron - en gitterkonfiguration som består av mikroskopiska strävor.

"Historiskt förekommer denna geometri i energireducerande skum, säger Portela, som valde att replikera denna skumliknande arkitektur i ett kolmaterial på nanoskala, att ge en flexibel, stötdämpande egenskap till det normalt styva materialet. "Medan kol normalt är sprött, arrangemanget och de små storlekarna på strävorna i det nanoarkitekterade materialet ger upphov till en gummiartad, böjdominerad arkitektur."

Efter att ha mönstrat gitterstrukturen, forskarna tvättade bort det överblivna hartset och placerade det i en högtemperaturvakuumugn för att omvandla polymeren till kol, lämnar efter sig en ultralätt, nanoarkitektat kolmaterial.

Snabbare än ljudets hastighet

För att testa materialets motståndskraft mot extrem deformation, teamet utförde mikropartikelpåverkansexperiment vid MIT med hjälp av laserinducerade partikelpåslagstester. Tekniken syftar till en ultrasnabb laser genom en glasskiva belagd med en tunn film av guld, som i sig är belagd med ett lager av mikropartiklar – i det här fallet, 14 mikron breda kiseloxidpartiklar. När lasern passerar genom bilden, det genererar plasma, eller en snabb expansion av gas från guldet, som trycker ut kiseloxidpartiklarna i laserns riktning. Detta gör att mikropartiklarna snabbt accelererar mot målet.

Forskarna kan justera laserns kraft för att kontrollera hastigheten på mikropartikelprojektilerna. I sina experiment, de utforskade en rad mikropartikelhastigheter, från 40 till 1, 100 meter per sekund, väl inom överljudsområdet.

"Supersonisk är allt över cirka 340 meter per sekund, som är ljudets hastighet i luften vid havsnivån, " säger Portela. "Så, vissa experiment uppnådde dubbelt så hög ljudhastighet, lätt."

Med hjälp av en höghastighetskamera, de spelade in videor av mikropartiklarna som gjorde inverkan med det nanoarkitekterade materialet. De hade tillverkat material med två olika densiteter - det mindre täta materialet hade strävor som var något tunnare än det andra. När de jämförde båda materialens effektrespons, de fann att den tätare var mer motståndskraftig, och mikropartiklar tenderade att bäddas in i materialet snarare än att riva rakt igenom.

För att få en närmare titt, forskarna skar noggrant igenom de inbäddade mikropartiklarna och materialen, och hittade i området strax under en inbäddad partikel, hade de mikroskopiska strävorna och balkarna skrynklats ihop och komprimerats som svar på stöten, men den omgivande arkitekturen förblev intakt.

"Vi visar att materialet kan absorbera mycket energi på grund av denna stötkomprimeringsmekanism av strävor på nanoskala, kontra något som är helt tätt och monolitiskt, inte nanoarkitektur, säger Portela.

Intressant, teamet fann att de kunde förutsäga vilken typ av skada materialet skulle få genom att använda en dimensionsanalysram för att karakterisera planetariska effekter. Genom att använda en princip som kallas Buckingham-Π-satsen, denna analys står för olika fysiska storheter, såsom en meteors hastighet och styrkan hos en planets ytmaterial, för att beräkna en "krateringseffektivitet, " eller sannolikheten och omfattningen i vilken en meteor kommer att gräva ut ett material.

När teamet anpassade ekvationen till de fysikaliska egenskaperna hos deras nanoarkitekterade film och mikropartiklarnas storlek och hastigheter, de fann att ramverket kunde förutsäga vilken typ av effekter som deras experimentella data visade.

Går framåt, Portela säger att ramverket kan användas för att förutsäga slagtåligheten hos andra nanoarkitekterade material. Han planerar att utforska olika nanostrukturerade konfigurationer, såväl som andra material utöver kol, och sätt att skala upp sin produktion – allt med målet att designa tuffare, lättare skyddsmaterial.

"Nanoarkitekterade material är verkligen lovande som effektreducerande material, " säger Portela. "Det finns mycket vi inte vet om dem ännu, och vi börjar den här vägen för att svara på dessa frågor och öppna dörren för deras utbredda tillämpningar."