Material de armadura leve feito de tapetes de nanotubos supera o Kevlar

Oct 14, 2023

O peso costuma ser uma consideração importante para os cientistas que ultrapassam os limites dos materiais à prova de balas, imaginando armaduras que mantêm o usuário seguro e, ao mesmo tempo, melhoram sua mobilidade. Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison agora forjaram um novo tipo de material de armadura ultraleve descrito como um "tapete de nanofibra", que apresenta uma química única que permite superar o Kevlar e o aço.

A base para esta nova forma de armadura são minúsculos cilindros de carbono com a espessura de um único átomo. Chamados de nanotubos de carbono, eles se mostraram promissores como materiais de próxima geração para tudo, desde pesquisa de transistores, tratamento de perda de visão e dispositivos de detecção de bombas.

Ao adaptar nanotubos de carbono para uso em materiais de blindagem, os autores deste novo estudo pegaram versões de paredes múltiplas deles e as combinaram com nanofibras de Kevlar. A ideia era basear-se em pesquisas anteriores que demonstravam o potencial desses materiais na absorção de impactos, para ver se eles não poderiam ser transformados em uma solução de blindagem ainda mais funcional.

"Os materiais nanofibrosos são muito atraentes para aplicações de proteção porque as fibras em nanoescala têm excelente resistência, tenacidade e rigidez em comparação com as fibras em macroescala", disse Ramathasan Thevamaran, que liderou a pesquisa. "Os tapetes de nanotubos de carbono mostraram a melhor absorção de energia até agora, e queríamos ver se poderíamos melhorar ainda mais seu desempenho."

Para fazer isso, os cientistas mexeram com a química até chegarem à receita vencedora. Eles sintetizaram nanofibras de Kevlar e incorporaram apenas uma pequena quantidade delas em "tapetes" formados por nanotubos de carbono, com a proporção certa de ambos, o que levou à produção de pontes de hidrogênio entre as fibras. O resultado desses títulos foi um salto dramático no desempenho.

“A ligação de hidrogênio é uma ligação dinâmica, o que significa que ela pode quebrar e se reformar continuamente, permitindo que dissipe uma grande quantidade de energia por meio desse processo dinâmico”, disse Thevamaran. "Além disso, as ligações de hidrogênio fornecem mais rigidez a essa interação, o que fortalece e enrijece o tapete de nanofibras. Quando modificamos as interações interfaciais em nossos tapetes adicionando nanofibras de Kevlar, conseguimos obter quase 100% de melhoria no desempenho da dissipação de energia em determinados velocidades de impacto supersônicas."

A equipe testou o material usando um sistema de teste de impacto de microprojéteis, no qual lasers são usados ​​para lançar microbalas em amostras de materiais em velocidades variadas.

"Nosso sistema é projetado de forma que podemos pegar uma única bala sob um microscópio e dispará-la contra o alvo de uma forma muito controlada, com uma velocidade muito controlada que pode variar de 100 metros (330 pés) por segundo até o fim. a mais de 1 quilômetro (0,62 milhas) por segundo", disse Thevamaran. “Isso nos permitiu realizar experimentos em uma escala de tempo em que poderíamos observar a resposta do material – conforme as interações das ligações de hidrogênio acontecem”.

Esses experimentos mostraram que o novo material protegia contra impactos de alta velocidade melhor do que o tecido Kevlar e as placas de aço. Isso fornece a base para materiais de blindagem ultraleves de alto desempenho, e não apenas em coletes à prova de balas. Segundo os pesquisadores, o material tem o potencial de permitir que a espaçonave absorva impactos de detritos espaciais em alta velocidade.

"Nossos tapetes de nanofibra exibem propriedades protetoras que superam em muito outros sistemas de materiais com peso muito mais leve", disse Thevamaran,

A pesquisa foi publicada na revista ACS Nano.

Fonte: Universidade de Wisconsin-Madison