Los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado un material de nanofibras que supera a sus homólogos más utilizados -entre ellos las placas de acero y el tejido de Kevlar- en la protección contra los impactos de proyectiles a alta velocidad.
Básicamente, es mejor que a prueba de balas.
"Nuestras alfombras de nanofibras presentan unas propiedades de protección que superan con creces las de otros sistemas de materiales con un peso mucho menor", afirma Ramathasan Thevamaran, profesor adjunto de ingeniería física en la UW-Madison que dirigió la investigación.
Él y sus colaboradores detallan el avance en un artículo publicado recientemente en la revista ACS Nano.
Para crear el material, Thevamaran y el investigador postdoctoral Jizhe Cai mezclaron nanotubos de carbono de paredes múltiples -cilindros de carbono de sólo un átomo de grosor en cada capa- con nanofibras de Kevlar. Las alfombras de nanofibras resultantes son superiores a la hora de disipar la energía del impacto de pequeños proyectiles que se mueven a una velocidad superior a la del sonido.
El avance sienta las bases para el uso de nanotubos de carbono en materiales de blindaje ligeros y de alto rendimiento, por ejemplo, en chalecos antibalas para proteger mejor al usuario o en escudos alrededor de las naves espaciales para mitigar los daños causados por los microdesechos que vuelan a gran velocidad.
"Los materiales nanofibrosos son muy atractivos para aplicaciones de protección porque las fibras a nanoescala tienen una resistencia, dureza y rigidez extraordinarias en comparación con las fibras a macroescala", afirma Thevamaran. "Las esteras de nanotubos de carbono han demostrado la mejor absorción de energía hasta ahora, y queríamos ver si podíamos mejorar aún más su rendimiento".
Encontraron la química adecuada. El equipo sintetizó nanofibras de Kevlar e incorporó una pequeña cantidad de ellas a sus alfombras de nanotubos de carbono, lo que creó enlaces de hidrógeno entre las fibras. Esos enlaces de hidrógeno modificaron las interacciones entre las nanofibras y, junto con la mezcla justa de nanofibras de Kevlar y nanotubos de carbono, provocaron un salto espectacular en el rendimiento general del material.
"El enlace de hidrógeno es un enlace dinámico, lo que significa que puede romperse continuamente y volver a formarse, lo que permite disipar una gran cantidad de energía a través de este proceso dinámico", afirma Thevamaran. "Además, los enlaces de hidrógeno proporcionan más rigidez a esa interacción, lo que refuerza y endurece la alfombra de nanofibras. Cuando modificamos las interacciones interfaciales en nuestras alfombras añadiendo nanofibras de Kevlar, pudimos conseguir una mejora de casi el 100% en el rendimiento de la disipación de energía a determinadas velocidades de impacto supersónico."
Que vengan las balas. Los investigadores probaron su nuevo material con un sistema de pruebas de impacto de microproyectiles inducido por láser en el laboratorio de Thevamaran. Este sistema, uno de los pocos que existen en Estados Unidos, utiliza láseres para disparar microbalas a las muestras de material.
"Nuestro sistema está diseñado de tal manera que podemos escoger una sola bala bajo el microscopio y dispararla contra el objetivo de una manera muy controlada, con una velocidad muy controlada que puede variar desde 100 metros por segundo hasta más de 1 kilómetro por segundo", dice Thevamaran. "Esto nos permitió realizar experimentos a una escala de tiempo en la que pudimos observar la respuesta del material, a medida que se producían las interacciones de los enlaces de hidrógeno".
Además de su resistencia a los impactos, otra ventaja del nuevo material de nanofibras es que, al igual que el Kevlar, es estable tanto a temperaturas muy altas como muy bajas, lo que lo hace útil para aplicaciones en una amplia gama de entornos extremos.
Los investigadores están patentando su innovación a través de la Wisconsin Alumni Research Foundation.
Claire Griesbach, estudiante de doctorado en Ingeniería Física, es coautora del estudio.
Esta investigación ha sido financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y por la Oficina del Vicerrectorado de Investigación y Educación de Posgrado de la UW-Madison.
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