Materialingenjörer från University of Nebraska-Lincoln har utvecklat en strukturell nanofiber som är både stark och hård, en upptäckt som skulle kunna förvandla allt från flygplan och broar till kroppspansar och cyklar.

Deras resultat finns på omslaget till veckans aprilnummer av American Chemical Society's journal, ACS Nano .

"Vad som än är gjort av kompositer kan dra nytta av våra nanofibrer, "sa lagets ledare, Yuris Dzenis, McBroom professor i maskin- och materialteknik och medlem i UNL:s Nebraska Center for Materials and Nanoscience.

"Vår upptäckt lägger till en ny materialklass till den mycket utvalda nuvarande materialfamiljen med demonstrerad samtidigt hög hållfasthet och seghet."

I konstruktionsmaterial, konventionell visdom säger att styrka kommer på bekostnad av seghet. Styrka avser ett materials förmåga att bära en last. Ett materials seghet är mängden energi som behövs för att bryta det; så ju mer ett material böjer sig, eller deformeras på något sätt, desto mindre sannolikt är det att det går sönder. En keramisk tallrik, till exempel, kan bära middagen till bordet, men går sönder om den tappas, för det saknar seghet. En gummiboll, å andra sidan, lätt pressas ur form, men går inte sönder för att det är tufft, inte stark. Vanligtvis, styrka och seghet utesluter varandra.

Dzenis och kollegor utvecklade en exceptionellt tunn polyakrilonitril nanofiber, en typ av syntetisk polymer relaterad till akryl, med hjälp av en teknik som kallas elektrospinning. Processen innebär att högspänning appliceras på en polymerlösning tills en liten stråle av vätska matas ut, vilket resulterar i en kontinuerlig längd av nanofiber.

De upptäckte att genom att göra nanofiber tunnare än vad som hade gjorts tidigare, det blev inte bara starkare, som förväntat, men också tuffare.

Dzenis föreslog att seghet kommer från nanofibrernas låga kristallinitet. Med andra ord, den har många områden som är strukturellt oorganiserade. Dessa amorfa regioner tillåter molekylkedjorna att glida runt mer, ger dem förmågan att absorbera mer energi.

De flesta avancerade fibrer har färre amorfa regioner, så de går sönder relativt lätt. I ett flygplan, som använder många kompositmaterial, ett plötsligt avbrott kan orsaka en katastrofal krasch. Att kompensera, ingenjörer använder mer material, som gör flygplan, och andra produkter, tyngre.

"Om konstruktionsmaterial var hårdare, man kan göra produkterna lättare och ändå vara mycket säkra, "Sa Dzenis.

Skyddsvästar, som skottsäkra västar, kräver också ett material som är både starkt och tufft. "För att stoppa kulan, du behöver materialet för att kunna absorbera energi före misslyckande, och det är vad våra nanofibrer kommer att göra, " han sa.