ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアが、鋼板やケブラー織物などの一般的な素材よりも高速の弾丸の衝撃から保護する能力が高いナノファイバー素材を開発しました。
基本的には、防弾よりも優れています。
この研究を率いたUWマディソン大学のラマタサン・テバマラン助教授（工学物理学）は、「私たちのナノファイバーマットは、他の材料系をはるかにしのぐ保護特性を、はるかに軽い重量で発揮します」と語っています。
この成果は、『ACS Nano』誌に発表された論文に詳述されている。
この材料を作るために、テバマラン教授と蔡慈哲博士研究員は、多層カーボンナノチューブ（各層の厚さがわずか原子1個の炭素円柱）とケブラーナノファイバーを混ぜ合わせた。こうしてできたナノファイバーマットは、音速よりも速いスピードで動く小さな弾丸の衝撃からエネルギーを発散させるのに優れている。
例えば、防弾チョッキの着用者を保護するためにカーボンナノチューブを使用したり、宇宙船のシールドに使用して高速で飛散する微小な破片による損傷を軽減したりすることができます。
「ナノファイバーは、マクロスケールのファイバーに比べて、強度、靭性、剛性に優れているため、保護用途として非常に魅力的です」とThevamaranは述べています。"カーボンナノチューブマットは、これまで最高のエネルギー吸収性を示しており、その性能をさらに向上させることができるかどうかを確かめたかったのです。"
研究チームは、適切な化学反応を見出した。研究チームはケブラーナノファイバーを合成し、それをカーボンナノチューブマットにごく少量組み込むことで、ファイバー間に水素結合を形成させた。この水素結合がナノファイバー間の相互作用を変化させ、ケブラーナノファイバーとカーボンナノチューブの適切な混合物とともに、材料全体の性能を飛躍的に向上させたのである。
「水素結合は動的な結合です。つまり、絶えず切断して再び形成することができ、この動的なプロセスを通じて大量のエネルギーを放出することができます」とテヴァマランは言います。「さらに、水素結合はその相互作用に剛性を与え、ナノファイバーマットを強化し、硬くすることができるのです。ケブラーナノファイバーを加えてマットの界面相互作用を修正したところ、ある超音速の衝撃速度でエネルギー散逸性能をほぼ100％向上させることができました。"と述べています。
弾丸を持ち込む 研究者たちは、Thevamaranの研究室にあるレーザー誘起マイクロプロジェクタイル衝撃試験システムを使って、この新素材をテストしました。このシステムは、米国でも数少ないもので、レーザーを使って材料サンプルに微小な弾丸を発射する。
「私たちのシステムは、顕微鏡下で実際に弾丸を1つ選び、それを非常に制御された方法で、秒速100メートルから秒速1キロメートル以上まで変化させながらターゲットに向けて発射できるように設計されています」とテヴァマランは話します。「このため、水素結合の相互作用が起こるときの材料の反応を観察できる時間スケールで実験を行うことができました」。
耐衝撃性に加えて、この新しいナノファイバー素材のもう一つの利点は、ケブラーのように、超高温でも超低温でも安定していることで、様々な極限環境での応用に有用な素材となっています。
研究者たちは、ウィスコンシン大学同窓会研究財団を通じて、この技術革新の特許を取得しています。
工学物理学専攻の博士課程学生であるClaire Griesbachは、この研究の共著者である。
この研究は、米国陸軍研究局およびUWマディソン大学研究・大学院教育担当副学長室からの資金援助を受けて行われたものです。
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