Институт военных нанотехнологий (ISN), состоящий из Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института, ETH Zurich и Исследовательской лаборатории армии США, использовал технологию 3D-печати в наномасштабе для создания материала, который, как сообщается, более эффективен для остановки снаряда, чем кевлар или сталь.
Этот материал тоньше человеческого волоса и состоит из крошечных углеродных стержней, которые образуют взаимосвязанные тетракаидекаэдры - структуры с 14 гранями, которые изготавливаются с помощью двухфотонной литографии.
По словам команды, материал с наноархитектурой потенциально может заменить кевлар для широкого спектра пуленепробиваемого защитного снаряжения, используемого в вооруженных силах.
По словам Джулии Грир, специалиста по материалам в Калифорнийском технологическом институте, «знания, полученные в результате этой работы, могут предоставить принципы проектирования сверхлегких ударопрочных материалов для использования в эффективных броневых материалах, защитных покрытиях и взрывозащищенных щитах, применяемых в оборонных и космических технологиях”.
Материалы с наноархитектурой имеют структуру, разработанную в нанометровом масштабе, что позволяет ученым создавать практически любую вообразимую трехмерную форму с желаемыми свойствами. В то время как прочность материалов с наноархитектурой ранее изучалась при сжатии и растяжении, команда ISN стремилась изучить, как такой материал может выдержать высокоскоростные удары.
Материал, разработанный ISN, состоит из взаимосвязанных тетракаидекаэдров, состоящих из углеродных стержней, размещённых в пространстве с помощью двухфотонной литографии. Команда Грира изучает возможности двухфотонной литографии для печати наноразмерных 3D-печатных объектов с 2018 года.
Структура тетракаидекаэдра была впервые предложена лордом Кельвином в 19 веке как теоретически одна из наиболее эффективных структур, возможных для заполнения пространства дубликатами самого себя.
Светочувствительный фоторезист составляет основу материала с наноархитектурой, принимая форму, основанную на освещении от лазеров во время процесса двухфотонной литографии. Во время этого процесса сильно сфокусированный лазер прослеживается внутри фоторезиста в трех измерениях, укрепляя материал до тех пор, пока не будет напечатана полная структура. Затем печатные структуры подвергаются пиролизу путем отжигания в печи при чрезвычайно высоких температурах, чтобы преобразовать полимер в пиролитический углерод.
Были созданы две версии ультратонкого материала с разной плотностью, которые были обработаны микрочастицами диаметром 14 микрон со скоростью от 40 до 1100 метров в секунду. Для справки, скорость звука составляет 340 метров в секунду. Было обнаружено, что более плотная версия материала более устойчива к взрывам, поскольку микрочастицы встраиваются в материал, а не прорываются насквозь, как это было бы в случае полностью плотных полимеров или углеродных листов той же толщины.
Углеродные стойки, непосредственно окружающие микрочастицу, сморщились, в то время как общая структура осталась нетронутой. По данным команды ISN, наноархитектурный материал превосходит сталь более чем на 100 процентов, а композиты из кевлара - более чем на 70 процентов.
«Исторически такая геометрия проявляется в энергосберегающих пенах», - сказал Карлос Портела, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи. «В то время как углерод обычно хрупок, расположение и небольшие размеры распорок в материале с наноархитектурой создают резиновую архитектуру с преобладанием изгибов.
«МЫ ПОКАЗАЛИ, ЧТО МАТЕРИАЛ МОЖЕТ ПОГЛОТИТЬ МНОГО ЭНЕРГИИ ИЗ-ЗА ЭТОГО МЕХАНИЗМА УДАРНОГО УПЛОТНЕНИЯ СТОЕК В НАНОМАСШТАБЕ В ОТЛИЧИЕ ОТ ПОЛНОСТЬЮ ПЛОТНОЙ И МОНОЛИТНОЙ СТРУКТУРЫ».
Партнеры ISN считают, что разработанный материал может заменить кевлар и сталь в материалах брони, защитных покрытий и взрывостойких щитов, используемых солдатами в вооруженных силах. Тем не менее, до того, как материал можно будет использовать в реальных приложениях, его необходимо доработать.
В дальнейшем исследователи будут стремиться найти способы увеличения производства материала и изучить, как другие материалы с наноархитектурой могут выдерживать высокоскоростные удары.
Дополнительную информацию о наноархитектурном материале можно найти в статье «Устойчивость к сверхзвуковому удару наноархитектурного углерода», опубликованной в журнале Nature Materials. Соавторами исследования являются К. Портела, Б. Эдвардс, Д. Вейссет, Ю. Сан, К. Нельсон, Д. Кохманн и Дж. Грир.
Благодаря ряду потенциальных приложений, которые открывает наноразмерная 3D-печать, ученые все чаще стремятся оптимизировать технологию и разрабатывать новые процессы, материалы и приложения.
Например, исследователи из Дейтонского университета разработали усовершенствованный и экономичный метод 3D-печати наноразмерных структур, известный как Opto-Thermo-Mechanical (OTM) нанопечать. Используя недорогие лазерные лучи, эта технология позволяет печатать в масштабе в тысячу раз меньше человеческого волоса.
В другом месте ученые из Fraunhofer IMM разрабатывают новый процесс многофотонной литографии для создания наноразмерных металлических 3D-печатных структур, а исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) работают над новым методом 3D-печати гелей и мягких материалов в наномасштабе. Согласно NIST, этот метод может позволить создавать сложные микроскопические структуры, такие как гибкие электроды, биосенсоры или мягкие микророботы.