Một dự án nghiên cứu chung vừa được công bố trên tạp chí Nature Materials của các kỹ sư từ MIT, Caltech và ETH Zurich, họ đã tạo ra một loại vật liệu "có cấu trúc nano" được chứng minh là bền hơn Kevlar và thép. Khi được mở rộng quy mô, vật liệu này có thể phát triển các lớp phủ bảo vệ, lá chắn chống nổ, áo giáp chống chấn động cho các ngành công nghiệp khác nhau.
Bằng cách sử dụng các thanh chống carbon ở kích thước nanomet, vật liệu mới đã được chứng minh là có độ bền ấn tượng. Vật liệu này đã được thử nghiệm bằng cách bắn các vi hạt ở tốc độ siêu âm để xem nó biến dạng như thế nào, kết quả là rất tốt.
Vật liệu này có kích thước nhỏ hơn chiều rộng sợi tóc người nhưng vẫn có thể ngăn các hạt tốc độ cao siêu nhỏ xuyên qua nó. Theo các nhà nghiên cứu đằng sau dự án, khi so sánh với vật liệu chống va đập bằng sợi Kevlar và thép, công nghệ nano mới này vượt trội hơn tất cả.
Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra khả năng đàn hồi của vật liệu bằng cách bắn các vi hạt ở tốc độ siêu âm vào nó và nhận thấy rằng vật liệu mỏng hơn chiều rộng của sợi tóc người, đã ngăn chặn các hạt nhỏ xé qua.
Tác giả chính của nghiên cứu, Carlos Portela, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT, tuyên bố: “Cùng một khối lượng, vật liệu của chúng tôi sẽ hiệu quả hơn nhiều trong việc ngăn chặn một vật bắn ra so với Kevlar.”
Điều này có thể có nghĩa là khi được sản xuất ở quy mô lớn hơn, vật liệu mới sẽ có thể cung cấp một loại vật liệu rất cứng, nhẹ, thay thế cho các vật liệu chống va đập thông thường (Kevlar hoặc thép tấm).
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một vật liệu siêu nhẹ được làm từ các thanh chống carbon kích thước nanomet giúp vật liệu có độ bền và độ bền cơ học cao.
“Kiến thức từ nghiên cứu này có thể cung cấp các nguyên tắc thiết kế cho vật liệu chống va đập siêu nhẹ để sử dụng trong vật liệu áo giáp hiệu quả, lớp phủ bảo vệ và lá chắn chống nổ trong các ứng dụng quốc phòng và vũ trụ,” theo đồng tác giả của nghiên cứu Julia R. Greer, giáo sư khoa học vật liệu, cơ học và kỹ thuật y tế tại Caltech.
Để kiểm tra độ cứng cỏi của vật liệu mới, các kỹ sư đã quyết định bắn bằng các hạt siêu thanh và nghiên cứu cách phản ứng của nó. Điều này lần đầu tiên được tiến hành tại Caltech, các kỹ sư dụng một mảnh vật liệu nano được chế tạo bằng phương pháp in thạch bản hai photon để tạo ra một tetrakaidecahedron, một cấu trúc được xem là hình dạng tốt nhất để xây dựng mọi cấu trúc trong không gian.
Vật liệu có thể hấp thụ rất nhiều năng lượng do cơ chế nén xung kích cya3 các thanh chống ở kích thước nano, so với một thứ hoàn toàn dày đặc và nguyên khối, không phải cấu trúc nano
Các tác giả nghiên cứu nói rằng cấu trúc này đã được sử dụng trong lịch sử với các loại xốp hấp thụ năng lượng. Lý do đằng sau điều này là carbon thường khá giòn, nhưng cấu trúc 3D này sẽ cung cấp cho nó độ mềm dẻo cần thiết để biến dạng nhanh chóng mà không bị vỡ hoàn toàn.
Sau khi được chế tạo, vật liệu được rửa để loại bỏ nhựa thừa và sau đó được nung trong lò chân không nhiệt độ cao để chuyển polyme thành một cấu trúc nano siêu nhẹ của cacbon nguyên chất.
Nó phải chịu tác động năng lượng cao của các hạt ôxít silic rộng 14 micron. Các hạt được tăng tốc tới tốc độ siêu âm bằng cách sử dụng tia laser được tập trung thông qua một lam kính phủ oxit vàng và silicon.
Quá trình này dẫn đến việc tạo ra plasma từ vàng đẩy các hạt oxit silic ra ngoài theo hướng của tia laser rất nhanh. Thiết lập này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát chính xác tốc độ của các vi hạt được bắn ra để họ có thể kiểm tra tốc độ 40 mét / giây đến 1.100 mét / giây.
Để so sánh, tốc độ âm thanh là khoảng 340 mét / giây.
Sử dụng một máy ảnh tốc độ cao, các nhà nghiên cứu đã quay video về các vi hạt tác động với vật liệu cấu trúc nano
Các tác động được ghi lại bằng máy ảnh tốc độ cao và kết quả được nghiên cứu cẩn thận để xem phản ứng của vật liệu như thế nào. Sử dụng hai mật độ khác nhau, họ nhận thấy rằng biến thể dày đặc hơn (với các thanh chống dày hơn) có khả năng đàn hồi cao hơn và các hạt có xu hướng lún vào vật liệu hơn là xé xuyên qua nó.
Thông qua nghiên cứu sâu hơn, bao gồm cả phân tách, họ thậm chí có thể dự đoán vật liệu sẽ phản ứng như thế nào bằng cách sử dụng định lý Buckingham-Π thường được sử dụng để nghiên cứu các tác động của thiên thạch.
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể dự đoán loại thiệt hại mà vật liệu sẽ phải chịu bằng cách sử dụng một mô hình để mô tả các tác động của thiên thạch
Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng những phát hiện của mình để dự đoán khả năng phục hồi tác động của vật liệu có cấu trúc nano khác cũng như các vật liệu khác ngoài carbon.
