Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas

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Los investigadores han descubierto un nuevo método para mejorar la dureza de los materiales que podría dar lugar a versiones más resistentes de chalecos antibalas, cristales antibalas y otros equipos balísticos. El equipo produjo películas compuestas de partículas cerámicas a escala nanométrica decoradas con hebras de polímero (que se asemejan a orbes borrosos) y las convirtió en objetivos en pruebas de impacto en miniatura que mostraron la dureza mejorada del material. Otras pruebas revelaron una propiedad única que no comparten los materiales típicos a base de polímeros que permitieron que las películas disiparan rápidamente la energía de los impactos.

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Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y Columbia Engineering han descubierto un nuevo método para mejorar la dureza de los materiales que podría conducir a versiones más fuertes de chalecos antibalas, vidrios a prueba de balas y otros equipos balísticos.

En un estudio publicado hoy en Soft Matter, el equipo produjo películas compuestas de partículas cerámicas a escala nanométrica decoradas con hebras de polímero (que se asemejan a orbes borrosos) y las convirtió en objetivos en pruebas de impacto en miniatura que mostraron la dureza mejorada del material. Otras pruebas revelaron una propiedad única que no comparten los materiales típicos a base de polímeros que permitieron que las películas disiparan rápidamente la energía de los impactos.

“Debido a que este material no sigue los conceptos tradicionales de endurecimiento que se ven en los polímeros clásicos, abre nuevas formas de diseñar materiales para la mitigación de impactos”, dijo el ingeniero de investigación de materiales del NIST, Edwin Chan, coautor del estudio.

Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas

Polímeros plásticos de alto impacto actuales

Los polímeros que constituyen la mayoría de los plásticos de alto impacto en la actualidad consisten en cadenas lineales de moléculas sintéticas repetitivas que se entrelazan físicamente o forman enlaces químicos entre sí, formando una red altamente enredada. El mismo principio se aplica a la mayoría de los compuestos poliméricos, que a menudo se fortalecen o endurecen al mezclar algún material no polimérico. Las películas del nuevo estudio (Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas) entran en esta categoría, pero presentan un diseño único.

“Mezclar plásticos con algunas partículas sólidas es como tratar de mezclar aceite y agua. Quieren separarse”, dijo Sanat Kumar, profesor de ingeniería química de la Universidad de Columbia y coautor del estudio. 

polímeros que constituyen la mayoría de los plásticos de alto impacto

“La comprensión que hemos hecho en mi grupo es: una forma de arreglar eso es unir químicamente los plásticos a las partículas. Es como si se odiaran pero no pueden escapar”.

polímeros que constituyen la mayoría de los plásticos de alto impacto

Las películas están hechas de diminutas esferas de vidrio, llamadas nanopartículas de sílice, cada una cubierta con cadenas de un polímero conocido como polimetacrilato (PMA). Para producir estas nanopartículas injertadas con polímeros (PGN), el laboratorio de Kumar hizo crecer cadenas de PMA en la superficie curva de las nanopartículas, haciendo que un extremo de cada cadena sea estacionario.

Las cadenas más cortas o de menor masa molecular en los PGN están restringidas por cadenas vecinas. La falta de movimiento significa que no interactúan mucho. Pero los polímeros de mayor masa molecular, que se dispersan más lejos de las nanopartículas esféricas, tienen más espacio para moverse, hasta que se enredan con otras cadenas. Entre estas dos longitudes, hay una masa molecular intermedia en la que los polímeros pueden moverse libremente pero tampoco son lo suficientemente largos como para anudarse.- Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas.

Estudios preliminares del comportamiento de nanopartículas

Este fenómeno fue útil para el propósito inicial del material, que permitía que los gases lo atravesaran rápidamente. Pero Chan y otros en el NIST buscaron averiguar cómo esta propiedad única afectaría la tenacidad. Con la ayuda del laboratorio de Kumar, los investigadores analizaron muestras de diferentes masas moleculares.

Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas
Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas

“Crecimos cabello polimérico a partir de las partículas desde un régimen de corte de cepillo realmente corto hasta un régimen hippie muy largo”, dijo Chris Soles, ingeniero de investigación de materiales del NIST y coautor.

 “Las nanopartículas cortadas con pincel no se enredan y pueden juntarse, pero a medida que los polímeros se alargan, la distancia entre las nanopartículas se expande y las cadenas entre las partículas comienzan a enredarse y formar una red”.

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Prueba de impacto de proyectil inducido por láser, o LIPIT

En el NIST, los investigadores abrieron fuego contra las películas compuestas PGN de ​​diferentes masas moleculares con una técnica conocida como prueba de impacto de proyectil inducido por láser, o LIPIT. Estas pruebas de impacto de alta velocidad implicaron propulsar proyectiles esféricos de 10 micrómetros de ancho (unas cuatro milésimas de pulgada) hacia los objetivos a velocidades de casi 1 kilómetro por segundo (más de 2200 millas por hora) con un láser.

Determinaron la velocidad del proyectil en tránsito y en el impacto a través de imágenes capturadas con una cámara y una luz estroboscópica que parpadea cada 100 nanosegundos (mil millonésimas de segundo). A partir de ahí, el equipo tuvo lo que necesitaba para calcular la energía necesaria para romper la película, una cantidad directamente relacionada con la dureza.

Los autores del estudio (Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas) encontraron que las películas compuestas de PGN eran generalmente más resistentes que las de PMA. Pero lo que quizás fue más interesante fue que la masa molecular intermedia produjo la película más resistente.

En materiales puramente poliméricos, las cadenas más largas tienden a crear un mayor número de enredos. Y más enredos se traducen en una mayor dureza, hasta el punto en que el material está completamente atado. Sin embargo, las pruebas LIPIT revelaron que las películas podían desafiar el comportamiento de los polímeros tradicionales. Las muestras más duras tenían cadenas mucho más cortas que la longitud para un enredo completo, lo que significa que los enredos no fueron el único factor que impulsó la dureza.

Soles y sus colegas sospecharon que la razón era el menor empaquetamiento entre las cadenas en las masas moleculares intermedias, lo que podría haber creado una situación en la que los polímeros pudieran moverse más libremente y crear fricción con las cadenas vecinas, una vía potencial para disipar energía de un alto impacto.- Como diseñar materiales balísticos más resistentes con nanopartículas difusas.

Buscando precisar la fuente subyacente de la dureza y probar su hipótesis, los miembros del equipo utilizaron equipos en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones para evaluar el movimiento de los polímeros.

Estas pruebas confirmaron que las cadenas de masa molecular intermedia unidas a las nanopartículas mostraron la capacidad de moverse y luego alcanzar un estado relajado en solo unos pocos picosegundos (billonésimas de segundo). Estos movimientos mejorados de las cadenas intermedias disiparon la energía más fácilmente que las cadenas de PMA cortas (sin enredos) o largas (muy enredadas). Este hallazgo respaldó la intuición del equipo, especialmente cuando se tomó junto con las pruebas LIPIT.

“Justo en esa masa molecular donde las películas compuestas de PGN mostraron la mayor resistencia al impacto, las cadenas de PMA injertadas mostraron la mayor movilidad y disipación de energía”, dijo Soles.

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Los resultados de este estudio apuntan a la existencia de un punto óptimo con respecto a la longitud de los polímeros fijados a la superficie curva de las partículas que podría aumentar la dureza del material. Es posible que el hallazgo tampoco se limite a PMA.

“Con base en este tipo de plataforma, el concepto de nanopartículas injertadas, puede comenzar a experimentar con polímeros de alto impacto más clásicos, como los policarbonatos que se usan en las ventanas a prueba de balas”, dijo Chan. 

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“Hay mucho que explorar. Solo estamos arañando la superficie de estos materiales”.

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