Forskare vid MIT har utvecklat en process som kan producera ultrafina fibrer - vars diameter mäts i nanometer, eller miljarddels meter - som är exceptionellt starka och sega. Dessa fibrer, som ska vara billig och lätt att tillverka, kan vara valmaterial för många applikationer, såsom skyddande rustning och nanokompositer.

Den nya processen, kallas gelelektrospinning, beskrivs i en uppsats av MIT -professor i kemiteknik Gregory Rutledge och postdoc Jay Park. Tidningen visas online och kommer att publiceras i februariutgåvan av Journal of Materials Science .

Inom materialvetenskap, Rutledge förklarar, "Det finns många avvägningar." Vanligtvis kan forskare förstärka en egenskap hos ett material men kommer att se en nedgång i en annan egenskap. "Styrka och seghet är ett sådant par:Vanligtvis när du får hög hållfasthet, du tappar något i segheten, "säger han." Materialet blir mer sprött och har därför inte mekanismen för att absorbera energi, och det tenderar att gå sönder. "Men i fibrerna från den nya processen, många av dessa avvägningar elimineras.

"Det är en stor sak när du får ett material som har mycket hög hållfasthet och hög seghet, "Säger Rutledge. Så är fallet med den här processen, som använder en variant av en traditionell metod som kallas gelspinning men tillför elektriska krafter. Resultaten är ultrafina fibrer av polyeten som matchar eller överstiger egenskaperna hos några av de starkaste fibermaterialen, såsom Kevlar och Dyneema, som används för applikationer inklusive kula-stoppande kropps rustning.

"Vi började med ett uppdrag att göra fibrer i olika storlekar, nämligen under 1 mikron [miljonedel av en meter], eftersom de har en mängd intressanta funktioner i sig, "Säger Rutledge." Och vi har tittat på sådana ultrafina fibrer, kallas ibland nanofibrer, under många år. Men det fanns ingenting i det som skulle kallas det högpresterande fiberområdet. "Högpresterande fibrer, som inkluderar aramider som Kevlar, och gelspunna polyetener som Dyneema och Spectra, används också i rep för extrem användning, och som förstärkande fibrer i vissa högpresterande kompositer.

"Det har inte hänt mycket nytt på det området på många år, eftersom de har mycket högpresterande fibrer i det mekaniska utrymmet, "Säger Rutledge. Men det här nya materialet, han säger, överstiger alla andra. "Det som verkligen skiljer dem är vad vi kallar specifik modul och specifik styrka, vilket betyder att de per vikt överträffar nästan allt. "Modulus hänvisar till hur styv en fiber är, eller hur mycket det motstår att töjas.

Jämfört med kolfibrer och keramiska fibrer, som ofta används i kompositmaterial, de nya gelelektrospunna polyetenfibrerna har liknande styrka men är mycket segare och har lägre densitet. Det betyder att, pund för pund, de överträffar standardmaterialen med stor marginal, Säger Rutledge.

Vid skapandet av detta ultrafina material, laget hade som mål att bara matcha egenskaperna hos befintliga mikrofiber, "så att visa att det hade varit en bra prestation för oss, "Säger Rutledge. Faktum är att materialet visade sig vara bättre på betydande sätt. Även om testmaterialen hade en modul som inte var lika bra som de bästa existerande fibrerna, de var ganska nära - tillräckligt för att vara "konkurrenskraftiga, säger han. han lägger till, "styrkorna är ungefär en faktor två bättre än det kommersiella materialet och jämförbara med det bästa tillgängliga akademiska materialet. Och deras seghet handlar om en storleksordning bättre."

Forskarna undersöker fortfarande vad som står för denna imponerande prestanda. "Det verkar vara något som vi fick i present, med minskad fiberstorlek, som vi inte förväntade oss, "Säger Rutledge.

Han förklarar att "de flesta plaster är tuffa, men de är inte lika styva och starka som vad vi får. "Och glasfibrer är styva men inte särskilt starka, medan ståltråden är stark men inte särskilt stel. De nya gelelektrospunna fibrerna verkar kombinera de önskvärda egenskaperna av styrka, styvhet, och seghet på sätt som har få lika.

Att använda gelelektrospinningsprocessen "är i huvudsak mycket lik den konventionella [gelspinningsprocessen] när det gäller de material vi tar in, men för att vi använder elektriska krafter "och använder en enstegsprocess snarare än flera steg i den konventionella processen, "Vi får mycket mer mycket dragna fibrer, "med diametrar på några hundra nanometer i stället för typiska 15 mikrometer, han säger. Forskarnas process kombinerar användningen av en polymergel som utgångsmaterial, som i gelspunna fibrer, men använder elektriska krafter snarare än mekanisk dragning för att dra ut fibrerna; de laddade fibrerna inducerar en "piskande" instabilitetsprocess som producerar deras ultrafina dimensioner. Och de smala dimensionerna, det visar sig, ledde till fibrernas unika egenskaper.

Dessa resultat kan leda till skyddsmaterial som är lika starka som befintliga men mindre skrymmande, gör dem mer praktiska. Och, Rutledge tillägger, "De kan ha applikationer som vi inte har tänkt på ännu, för vi har just nu lärt oss att de har denna hårdhet. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.