Scoperto un nuovo materiale più efficiente di acciaio e Kevlar

Un nuovo studio congiunto, condotto da ingegneri del MIT, del Caltech e dell’ETH di Zurigo mostra che “nanoarchitetti”, materiali progettati da strutture in nanoscala modellate con precisione – possono essere una strada promettente per armature leggere, rivestimenti protettivi, scudi antiesplosione e altri materiali resistenti agli urti.

I ricercatori hanno fabbricato un materiale ultraleggero, realizzato con montanti in carbonio su scala nanometrica che conferiscono al materiale robustezza meccanica. Il team ha testato la resilienza del materiale sparandogli microparticelle a velocità supersoniche, scoprendo che il materiale, più sottile della larghezza di un capello umano, ha impedito ai proiettili in miniatura di attraversarlo.

Lo studio sul nuovo materiale nanoarchitettonico: “Nuovi principi di progettazione per materiali ultraleggeri e resistenti agli urti”

Il report degli ingegneri del MIT, del Caltech e dell’ETH di Zurigo calcola che rispetto ad acciaio, Kevlar, alluminio e altri materiali resistenti agli urti di peso comparabile, il nuovo materiale è più efficiente nell’assorbire gli impatti. “La stessa quantità di massa del nostro materiale sarebbe molto più efficiente nel fermare un proiettile rispetto alla stessa quantità di massa di Kevlar”, rimarca Carlos Portela, autore principale dello studio, nonché assistente professore di ingegneria meccanica al MIT.

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Se prodotto su larga scala, questo e altri materiali nano-architettati potrebbero essere progettati come alternative più leggere e resistenti al Kevlar e all’acciaio. “La conoscenza di questo lavoro potrebbe fornire principi di progettazione per materiali ultraleggeri resistenti agli urti, da utilizzare in materiali per armature efficienti, rivestimenti protettivi e scudi resistenti alle esplosioni desiderabili nelle applicazioni di difesa e spaziali”, prosegue Julia R. Greer, coautrice dello studio e professore di scienza dei materiali, meccanica e ingegneria medica al Caltech, il cui laboratorio ha guidato la fabbricazione del materiale.

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Il team, che riporta oggi i suoi risultati sulla rivista Nature Materials, comprende David Veysset, Yuchen Sun e Keith A. Nelson, dell’Istituto per le nanotecnologie dei soldati del MIT e del Dipartimento di chimica, e Dennis M. Kochmann dell’ETH di Zurigo.

Un materiale nanoarchitettonico è costituito da strutture modellate su scala nanometrica che, a seconda di come sono disposte, possono conferire ai materiali proprietà uniche come leggerezza e resilienza eccezionali. In quanto tali, i materiali nanoarchitettonici sono visti come materiali potenzialmente più leggeri e resistenti agli urti. Ma questo potenziale è stato in gran parte non testato.

“Sappiamo solo della loro risposta in un regime di deformazione lenta, mentre si ipotizza che gran parte del loro uso pratico sia in applicazioni del mondo reale in cui nulla si deforma lentamente”, conclude Portela.

Il team ha deciso di studiare i materiali nanoarchitettonici in condizioni di rapida deformazione, come durante gli impatti ad alta velocità. Al Caltech, hanno prima fabbricato un materiale nanoarchitettonico utilizzando la litografia a due fotoni, una tecnica che utilizza un laser veloce e ad alta potenza per solidificare strutture microscopiche in una resina fotosensibile.

I ricercatori hanno costruito uno schema ripetuto noto come tetracaidecaedro, una configurazione reticolare composta da puntoni microscopici. Dopo aver modellato la struttura reticolare, i ricercatori hanno lavato via la resina rimanente, collocandola in un forno sottovuoto ad alta temperatura, per convertire il polimero in carbonio, lasciando dietro di sé un materiale di carbonio ultraleggero e nanoarchitettura.

Questa ricerca è stata supportata, in parte, dall’Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti, dalla borsa di studio della Facoltà di Vannevar Bush e dall’Ufficio per la ricerca dell’esercito americano attraverso l’Istituto per le nanotecnologie dei soldati del MIT. Proprio per questo ancora più credibile.