Ett material som är tre gånger starkare än Kevlar tack vare strategiskt placerade kolnanorör kan leda till nya skottsäkra västar, fordon och flygplan
Forskare vid Pekings universitet har skapat ett nytt material som kan bli det starkaste tyget som någonsin tillverkats. Materialet kombinerar aramidfibrer – det polymer som gjorde Kevlar känt – med kolnanorör orienterade på molekylär nivå, vilket gör att ett lager som är tunnare än ett kreditkort kan stoppa en kula som färdas i 300 meter per sekund.
Jin Zhang, forskare vid Pekinguniversitetet, och hans team har i sex år försökt utveckla ett nytt material som överträffar prestandan hos andra material som Kevlar eller Dyneema, ett höghållfast polyeten som anses vara världens starkaste tyg. Ett sådant material kan förändra militär pansartekniken under de kommande åren, genom att möjliggöra mycket lättare skottsäkra kläder och fordon som ger större rörlighet med samma skydd.
”Ultrahög dynamisk hållfasthet och seghet är avgörande för fibermaterial i stötdämpande applikationer”, förklarar Zhang. ”Detta inkluderar skottsäkra västar, fordon och flygplan.” Forskarna har publicerat sina resultat itidskriften Matter.
Tyger som stoppar kulor
En bra skottsäker väst kan sprida energin från ett projektils nedslag genom ett nätverk av sammankopplade fibrer som förhindrar att det tränger igenom materialet. Om tyget fungerar korrekt får bäraren av västen ett kraftigt slag som inte är dödligt, men som kommer att göra ont under en tid.
De material som har använts för denna typ av västar har varierat genom åren. Det har skett en stor utveckling, från de första versionerna där en tung metallplatta infördes i västen till material som gör tygerna hårdare och lättare, såsom kevlarspunnet, som är fem gånger starkare än stål. Ett annat av dessa magiska material är dragon skin, som består av en serie överlappande, höghållfasta keramiska fjäll inneslutna i ett glasfiberväv som kan motstå skott från en AK-47
Ändå, i konflikter där varje gram räknas och trötthet kan vara dödlig, innebär en väst som väger hälften men skyddar lika mycket eller mer en betydande taktisk fördel.
Hur det fungerar
I Kevlar är dessa fibrer gjorda av aramider, polymerkedjor som är kända för sin extrema hållfasthet. Problemet är att när de utsätts för extrem påfrestning tenderar kedjorna att glida över varandra, vilket begränsar det skydd de erbjuder och undergräver fördelarna med deras höga mekaniska egenskaper.
Zhangs team utvecklade en strategi som reglerar orienteringen av kolnanorör inom fibrerna för att förhindra denna glidning. Först modifierade de molekylärt nanorören och aramidkedjorna för att göra dem kompatibla. Därefter utformade de en flerstegssträckningsprocess som inriktar både nanorören och aramidkedjorna, vilket optimerar fibrernas hierarkiska strukturer.
Denna förbättring gör att molekylerna i tyget fungerar bättre tillsammans och fördelar kraften från stöten på ett mer effektivt sätt. I stället för att glida över varandra, som är fallet med Kevlar, bryts aramidkedjorna på ett kontrollerat sätt och absorberar all energi från kulan, försäkrar de. Resultatet är fibrer med en extraordinär motståndskraft som gör att ett enda lager på 0,6 millimeter kan bromsa hastigheten på en kula som färdas mellan 300 meter per sekund och 220 m/s.
”Enligt beräkningarna av energiabsorptionen räcker det med ungefär tre lager tyg för att stoppa kulan”, säger Zhang, vilket ger en total tjocklek på 1,8 mm. Kevlar behöver minst 4 mm för att stoppa samma projektil.
Från laboratoriet till slagfältet
Zhang hoppas hitta ett mer kommersiellt namn än det nuvarande (komposit tillverkad av kolnanorör och heterocyklisk aramid), ett första steg mot praktisk tillämpning. Om de lyckas kan vi stå inför födelsen av en ny generation molekylära rustningar som gör Kevlars styvhet till något som hör till det förflutna.
Julie Cairney, materialexpert vid University of Sydney, som inte deltog i forskningen, beskriver kombinationen av aramidfibrer och orienterade nanorör som en stor innovation. ”Denna metod skulle potentiellt kunna användas för att producera andra nya kompositer”, säger hon till New Scientist.
Hon betonar dessutom att tillverkningsstrategin är kompatibel med befintliga industriella processer, vilket gör den lovande för skalbar produktion och användning i verkligheten. ”För personlig och militär skyddsutrustning skulle dessa material kunna användas i lättare och effektivare skottsäkra västar och rustningar, vilket förbättrar säkerheten utan att göra avkall på rörligheten”, säger Cairney.
