IL NANOMATERIALE STAMPATO IN 3D POTREBBE SOSTITUIRE IL KEVLAR E L’ACCIAIO PER ARMATURE ANTIPROIETTILE
L’ Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), composto da MIT , Caltech , ETH Zurigo e US Army Research Lab, ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D su scala nanometrica per formare un materiale che secondo quanto riferito è più efficace nel fermare un proiettile rispetto a Kevlar o acciaio.
Più sottile di un singolo capello umano, il materiale è costituito da minuscoli montanti in carbonio che formano tetracaidecaedri interconnessi, strutture con 14 facce, fabbricate tramite litografia a due fotoni.
Secondo il team, il materiale nano-architettato potrebbe potenzialmente sostituire il kevlar per una vasta gamma di dispositivi di protezione antiproiettile utilizzati dalle forze armate.
Secondo Julia Greer, scienziata dei materiali al Caltech, “la conoscenza di questo lavoro potrebbe fornire principi di progettazione per materiali ultraleggeri resistenti agli urti da utilizzare in materiali efficienti per armature, rivestimenti protettivi e scudi resistenti alle esplosioni desiderabili nelle applicazioni di difesa e spaziali. “
I materiali nano-architettati hanno una struttura progettata su scala nanometrica, consentendo agli scienziati di progettare praticamente qualsiasi forma 3D immaginabile con proprietà desiderabili. Mentre la forza dei materiali nano-architettati è stata precedentemente studiata sotto compressione e tensione, il team dell’ISN ha cercato di esplorare come un tale materiale potesse sopravvivere agli impatti ad alta velocità.
Il materiale sviluppato dall’ISN è costituito da tetracaidecaedri interconnessi costituiti da montanti in carbonio disposti tramite litografia a due fotoni. Il team di Greer ha esplorato le capacità della litografia a due fotoni nella stampa di oggetti stampati in 3D su scala nanometrica dal 2018.
La struttura del tetracaidecaedro fu proposta per la prima volta da Lord Kelvin nel XIX secolo come una delle strutture teoricamente più efficienti possibili per riempire lo spazio con duplicati di se stesso.
Un fotoresist sensibile alla luce costituisce la base del materiale nano-architettato, conformando la sua forma in base all’esposizione alla luce dei laser durante il processo di litografia a due fotoni. Durante questo processo, un laser ben focalizzato viene tracciato all’interno del fotoresist in tre dimensioni, solidificando il materiale fino a quando non viene stampata l’intera struttura. Le strutture stampate vengono quindi pirolizzate mediante combustione in un forno a temperature estremamente elevate per convertire il polimero in carbonio pirolitico.
Sono state create due versioni del materiale ultrasottile con densità diverse e fatte saltare con microparticelle di diametro di 14 micron a velocità comprese tra 40 e 1.100 metri al secondo. Per riferimento, la velocità del suono è di 340 metri al secondo. La versione più densa del materiale è risultata più resistente alle esplosioni, con le microparticelle che si incastrano nel materiale anziché lacerarsi, come nel caso dei polimeri completamente densi o dei fogli di carbonio dello stesso spessore.
È stato osservato che i montanti in carbonio che circondano immediatamente la microparticella si accartocciano mentre la struttura complessiva rimane intatta. Secondo il team ISN, libbra per libbra il materiale nano-architettato ha superato l’acciaio di oltre il 100 percento e i compositi in kevlar di oltre il 70 percento.
“Storicamente, questa geometria appare nelle schiume che riducono l’energia”, ha affermato Carlos Portela, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT e autore principale dell’articolo. “Mentre il carbonio è normalmente fragile, la disposizione e le dimensioni ridotte dei montanti nel materiale nano-architettato danno origine a un’architettura gommosa e dominata dalla flessione.
“MOSTRIAMO CHE IL MATERIALE PUÒ ASSORBIRE MOLTA ENERGIA A CAUSA DI QUESTO MECCANISMO DI COMPATTAZIONE DEGLI URTI DEI MONTANTI SU SCALA NANOMETRICA RISPETTO A QUALCOSA CHE È COMPLETAMENTE DENSO E MONOLITICO, NON NANO-ARCHITETTATO”.
Fabbricazione del materiale e risultati degli esperimenti di impatto di microparticelle. Immagine tramite materiali naturali.
I partner dell’ISN ritengono che il materiale sviluppato abbia il potenziale per sostituire il Kevlar e l’acciaio per materiali per armature, rivestimenti protettivi e scudi resistenti alle esplosioni utilizzati dai soldati delle forze armate. Tuttavia, è ancora necessario intraprendere un ulteriore sviluppo prima che il materiale possa essere utilizzato nelle applicazioni del mondo reale.
In futuro, i ricercatori cercheranno di trovare modi per aumentare la produzione del materiale ed esplorare come altri materiali nano-architettati possono resistere a impatti ad alta velocità.
Ulteriori informazioni sul materiale nano-architettato possono essere trovate nel documento intitolato: “Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon” , pubblicato sulla rivista Nature Materials. Lo studio è stato co-autore di C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. Nelson, D. Kochmann e J. Greer.
Grazie alla gamma di potenziali applicazioni aperte dalla stampa 3D su nanoscala, gli scienziati cercano sempre più di ottimizzare la tecnologia e sviluppare nuovi processi, materiali e applicazioni.
Ad esempio, i ricercatori dell’Università di Dayton hanno sviluppato una tecnica avanzata ed economica per stampare in 3D strutture su nanoscala , nota come nanostampa opto-termo-meccanica (OTM). Utilizzando raggi laser a basso costo, la tecnica è in grado di stampare su scale mille volte più piccole di un capello umano.
Altrove, gli scienziati del Fraunhofer IMM stanno sviluppando un nuovo processo di litografia multi-fotone per produrre strutture metalliche stampate in 3D su scala nanometrica e i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno lavorato su un nuovo metodo per stampare in 3D gel e materiali morbidi su scala nanometrica . Secondo il NIST, la tecnica potrebbe consentire la creazione di strutture microscopiche complesse, come elettrodi flessibili, biosensori o micro-robot morbidi.
