Forskare vid Northwestern University har nanokonstruerat en ny typ av fiber som kan vara tuffare än Kevlar.

Arbeta i ett tvärvetenskapligt team som inkluderar grupper från andra universitet och MER Corporation, Horacio Espinosa, James N. och Nancy J. Farley professor i tillverkning och entreprenörskap vid McCormick School of Engineering and Applied Science, och hans grupp har skapat en högpresterande fiber från kolnanorör och en polymer som är anmärkningsvärt seg, stark, och motståndskraftig mot misslyckanden. Genom att använda toppmoderna testmetoder för in-situ elektronmikroskopi, gruppen kunde testa och undersöka fibrerna i många olika skalor - från nanoskalan upp till makroskalan - vilket hjälpte dem att förstå precis hur små interaktioner påverkar materialets prestanda. Deras resultat publicerades nyligen i tidskriften ACS Nano .

"Vi vill skapa den nya generationens fibrer som uppvisar både överlägsen styrka och seghet, ", sa Espinosa. "En stor fråga i tekniska fibrer är att de antingen är starka eller formbara - vi vill ha en fiber som är både och. Fibrerna vi tillverkade visar mycket hög duktilitet och en mycket hög seghet. De kan absorbera och avleda stora mängder energi innan de går sönder. Vi observerade också att materialets styrka förblir mycket, väldigt högt, som inte har visats tidigare. Dessa fibrer kan användas för en mängd olika försvars- och rymdtillämpningar."

Projektet är en del av försvarsdepartementets program för multidisciplinary University Research Initiative (MURI), som stöder forskning av team av utredare som korsar mer än en traditionell vetenskap och ingenjörsdisciplin. Espinosa och hans medarbetare fick 7,5 miljoner dollar från U.S. Army Research Office för studier av störande fibrer, som skulle kunna användas i skottsäkra västar, fallskärmar, eller kompositmaterial som används i fordon, flygplan och satelliter.

För att skapa den nya fibern, forskare började med kolnanorör — cylindriskt formade kolmolekyler, som individuellt har en av de högsta styrkorna av något material i naturen. När du buntar ihop nanorör, dock, de tappar sin styrka — rören börjar glida i sidled mellan varandra.

Att arbeta med MER Corporation och använda företagets CVD-reaktor, teamet lade till en polymer till nanorören för att binda ihop dem, och spinna sedan det resulterande materialet till garn. Sedan testade de hållfastheten och brottfrekvensen för materialet med SEM-testning på plats, som använder ett kraftfullt mikroskop för att observera deformationen av material under en svepelektronstråle. Denna teknik, som bara har varit tillgängligt under de senaste åren, tillåter forskare att ha extremt högupplösta bilder av material när de deformeras och misslyckas och låter forskare studera material i flera olika skalor. De kan undersöka enskilda buntar av nanorör och fibern som helhet.

"Vi lärde oss på flera skalor hur detta material fungerar, " sa Tobin Filleter, en postdoktor i Espinosas grupp. "Vi kommer att behöva förstå hur molekyler fungerar på dessa nanometerskalor för att konstruera starkare och tuffare fibrer i framtiden."

Resultatet är ett material som är tuffare än Kevlar - vilket betyder att det har en högre förmåga att absorbera energi utan att gå sönder. Men Kevlar är fortfarande starkare - vilket betyder att den har en högre motståndskraft mot misslyckanden. Nästa, forskare hoppas kunna fortsätta att studera hur man konstruerar interaktionerna mellan kolnanorörsbuntar och mellan nanorören i själva bunten.

"Kolnanorör, byggstenarna i nanoskala för de utvecklade garnen, är fortfarande 50 gånger starkare än materialet vi skapade, sa Mohammad Naraghi, en postdoktor i Espinosas grupp. "Om vi ​​bättre kan konstruera interaktionerna mellan paket, vi kan göra materialet starkare."

Gruppen tittar för närvarande på tekniker - som kovalent tvärbindande rör i buntar som använder högenergielektronstrålning - för att bättre konstruera dessa interaktioner.

Filleter och Naraghi sa att detta arbete inte hade varit möjligt utan det tvärvetenskapliga teamet som inkluderar sammanslagning av akademin med industrin.

"Att arbeta i en miljö där vi kan byta information fram och tillbaka är en unik möjlighet som kommer att driva tekniken längre, ", sa Naraghi. "MER har gett oss ett unikt råmaterial och ett kommersiellt perspektiv på projektet. I tur och ordning, vi tillhandahåller den grundläggande vetenskapliga förståelsen."