I nanotubi in carbonio meglio del kevlar nelle protezioni antiproiettile?

Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno forgiato un nuovo tipo di materiale per armature e non solo, ultraleggero composto da pareti multiple di nanotubi di carbonio e Kevlar.

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a cura di Alessandro Crea

Il peso è spesso un elemento chiave per gli scienziati che spingono i confini dei materiali a prova di proiettile, immaginando armature che mantengano chi lo indossa al sicuro migliorando al contempo la loro mobilità. Gli ingegneri dell'Università del Wisconsin-Madison hanno ora forgiato un nuovo tipo di materiale per armature ultraleggere descritto come un "tappetino in nanofibra", che presenta una chimica unica che gli consente di superare il Kevlar e l'acciaio.

La base per questa nuova forma di armatura sono piccoli cilindri di carbonio con lo spessore di un singolo atomo. Chiamati nanotubi di carbonio, questi si sono dimostrati promettenti come materiali di prossima generazione per tutto, dalla ricerca sui transistor, al trattamento della perdita della vista, ai dispositivi di rilevamento delle bombe.

Nell'adattare i nanotubi di carbonio per l'uso nei materiali delle armature, gli autori di questo nuovo studio hanno preso versioni a parete multipla di essi e li hanno combinati con nanofibre di Kevlar. L'idea era di basarsi su ricerche precedenti che dimostravano il potenziale di questi materiali nell'assorbire gli impatti, per vedere se non potevano essere modellati in una soluzione di armatura ancora più funzionale.

"I materiali nano-fibrosi sono molto interessanti per le applicazioni protettive perché le fibre su scala nanometrica hanno resistenza, tenacità e rigidità eccezionali rispetto alle fibre su macroscala", ha affermato Ramathasan Thevamaran, che ha guidato la ricerca. "I tappetini in nanotubi di carbonio hanno mostrato il miglior assorbimento di energia finora e volevamo vedere se potevamo migliorare ulteriormente le loro prestazioni".

Per fare ciò, gli scienziati hanno armeggiato con la chimica fino a quando non sono atterrati sulla ricetta vincente. Hanno sintetizzato nanofibre di Kevlar e ne hanno incorporato solo una piccola quantità in "stuoie" costituite da nanotubi di carbonio, con il giusto rapporto di entrambi, il che ha portato alla produzione di legami idrogeno tra le fibre. Il risultato è stato un drammatico balzo in avanti nelle performance.

"Il legame idrogeno è un legame dinamico, il che significa che può continuamente rompersi e riformarsi di nuovo, permettendogli di dissipare un'elevata quantità di energia attraverso questo processo dinamico", ha spiegato Thevamaran. "Inoltre, i legami idrogeno forniscono maggiore rigidità a tale struttura, che rafforza e irrigidisce il tappetino in nanofibra. Quando abbiamo modificato le interazioni interfacciali nei nostri tappetini aggiungendo nanofibre di Kevlar, siamo stati in grado di ottenere un miglioramento di quasi il 100% delle prestazioni di dissipazione dell'energia a determinate velocità di impatto supersoniche".

Il team ha messo alla prova il materiale utilizzando un sistema di test di impatto con microproiettile, in cui i laser vengono utilizzati per lanciare microbullet in campioni di materiale a velocità variabili.

"Il nostro sistema è progettato in modo tale da poter effettivamente scegliere un singolo proiettile al microscopio e spararlo contro il bersaglio in modo molto controllato, con una velocità molto controllata che può essere variata da 100 metri al secondo fino a oltre 1 chilometro al secondo", ha dichiarato Thevamaran. "Questo ci ha permesso di condurre esperimenti su una scala temporale in cui potevamo osservare la risposta del materiale, mentre si verificano le interazioni del legame idrogeno".

Questi esperimenti hanno dimostrato che il nuovo materiale proteggeva dagli impatti ad alta velocità meglio del tessuto Kevlar e delle piastre in acciaio. Ciò fornisce la base per materiali di armatura ultraleggeri ad alte prestazioni, e non solo in giubbotti antiproiettile. Secondo i ricercatori, il materiale ha il potenziale per consentire ai veicoli spaziali di assorbire gli impatti dei detriti spaziali ad alta velocità. "Le nostre stuoie in nanofibra presentano proprietà protettive che superano di gran lunga altri sistemi di materiali con un peso molto più leggero", ha affermato Thevamaran.