Sedan första världskriget, den stora majoriteten av amerikanska stridsoffer har inte kommit från skottskador utan från explosioner. I dag, de flesta soldater bär en tung, skottsäker väst för att skydda överkroppen, men mycket av kroppen förblir utsatt för det urskillningslösa syftet med explosiva fragment och splitter.

Att designa utrustning för att skydda extremiteter mot extrema temperaturer och dödliga projektiler som följer med en explosion har varit svårt på grund av en grundläggande egenskap hos material. Material som är tillräckligt starka för att skydda mot ballistiska hot kan inte skydda mot extrema temperaturer och vice versa. Som ett resultat, mycket av dagens skyddsutrustning är sammansatt av flera lager av olika material, leder till skrymmande, tung utrustning som, om den bärs på armar och ben, skulle kraftigt begränsa en soldats rörlighet.

Nu, Harvard University forskare, i samarbete med U.S. Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center (CCDC SC) och West Point, har utvecklat en lätt, multifunktionellt nanofibermaterial som kan skydda bärare från både extrema temperaturer och ballistiska hot.

Forskningen publiceras i tidskriften Materia .

"När jag var i strid i Afghanistan, Jag såg själv hur kroppsrustningar kunde rädda liv, " sa seniorförfattaren Kit Parker, familjen Tarr professor i bioteknik och tillämpad fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och en överstelöjtnant i United States Army Reserve. "Jag såg också hur tunga rustningar som kunde begränsa rörligheten. Som soldater på slagfältet, de tre primära uppgifterna är att flytta, skjuta, och kommunicera. Om du begränsar en av dessa, du minskar överlevnadsförmågan och du äventyrar uppdragets framgång."

"Vårt mål var att designa ett multifunktionellt material som kan skydda någon som arbetar i en extrem miljö, som en astronaut, brandman eller soldat, från de många olika hot de möter, sade Grant M. Gonzalez, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen.

För att uppnå detta praktiska mål, forskarna behövde utforska avvägningen mellan mekaniskt skydd och värmeisolering, egenskaper rotade i ett materials molekylära struktur och orientering.

Material med starkt mekaniskt skydd, såsom metaller och keramik, har en mycket ordnad och inriktad molekylstruktur. Denna struktur tillåter dem att motstå och fördela energin från ett direkt slag. Isolerande material, å andra sidan, har en mycket mindre ordnad struktur, som förhindrar överföring av värme genom materialet.

Kevlar och Twaron är kommersiella produkter som används i stor utsträckning i skyddsutrustning och kan ge antingen ballistiskt eller termiskt skydd, beroende på hur de tillverkas. Vävd Kevlar, till exempel, har en mycket anpassad kristallin struktur och används i skyddande skottsäkra västar. Porösa Kevlar aerogeler, å andra sidan, har visat sig ha hög värmeisolering.

"Vår idé var att använda denna Kevlar-polymer för att kombinera det vävda, ordnad struktur av fibrer med porositeten hos aerogeler för att göra långa, kontinuerliga fibrer med poröst mellanrum, "sa Gonzalez." I detta system, de långa fibrerna kunde motstå en mekanisk påverkan medan porerna skulle begränsa värmediffusion."

Forskargruppen använde immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS), en teknik utvecklad av Parkers Disease Biophysics Group, att tillverka fibrerna. I denna teknik, en flytande polymerlösning laddas i en behållare och trycks ut genom en liten öppning med centrifugalkraft när enheten snurrar. När polymerlösningen skjuter ut ur reservoaren, det passerar först genom ett område med friluft, där polymererna förlängs och kedjorna är i linje. Sedan träffar lösningen ett vätskebad som tar bort lösningsmedlet och fäller ut polymererna för att bilda fasta fibrer. Eftersom badet också snurrar – som vatten i en salladssnurra – följer nanofibrerna strömmen av virveln och lindar runt en roterande uppsamlare vid enhetens bas.

Genom att ställa in viskositeten för den flytande polymerlösningen, forskarna kunde snurra länge, inriktade nanofibrer i porösa ark - ger tillräckligt med ordning för att skydda mot projektiler men tillräckligt med störningar för att skydda mot värme. Om cirka 10 minuter, laget kunde snurra ark med en storlek på cirka 10 gånger 30 centimeter.

För att testa arken, Harvard-teamet vände sig till sina medarbetare för att utföra ballistiska tester. Forskare vid CCDC SC i Natick, Massachusetts simulerade splitternedslag genom att skjuta stora, BB-liknande projektiler vid provet. Teamet utförde tester genom att lägga nanofiberarken mellan ark av vävd Twaron. De observerade liten skillnad i skydd mellan en stapel av alla vävda Twaron-ark och en kombinerad stapel av vävda Twaron och spunna nanofibrer.

"CCDC SC:s möjligheter gör att vi kan kvantifiera framgångarna för våra fibrer ur skyddsutrustning för krigsmän, specifikt, sa Gonzalez.

"Akademiska samarbeten, särskilt de med framstående lokala universitet som Harvard, ge CCDC SC möjlighet att utnyttja spetskompetens och faciliteter för att öka vår egen FoU-kapacitet, sa Kathleen Swana, en forskare vid CCDC SC och en av tidningens författare. "CCDC SC, i gengäld, ger värdefull vetenskaplig och soldatcentrerad expertis och testmöjligheter för att driva forskningen framåt. "

Vid test för termiskt skydd, forskarna fann att nanofibrerna gav 20 gånger värmeisoleringsförmågan jämfört med kommersiella Twaron och Kevlar.

"Det finns förbättringar som kan göras, vi har flyttat gränserna för vad som är möjligt och börjat flytta fältet mot den här typen av multifunktionellt material, sa Gonzalez.

"Vi har visat att du kan utveckla mycket skyddande textilier för människor som arbetar på ett skadligt sätt, " sa Parker. "Vår utmaning nu är att utveckla de vetenskapliga framstegen till innovativa produkter för mina bröder och systrar i vapen."

Harvards Office of Technology Development har lämnat in en patentansökan för tekniken och söker aktivt kommersialiseringsmöjligheter.