Ultravioletinė medžiaga priešinasi ultragarso mikrodalelių poveikiui

MIT, „Caltech“ ir ETH Ciuricho inžinieriai mano, kad „nanoarchyvuotos“ medžiagos, sukurtos iš tiksliai raštuotų nanodalelių konstrukcijų (nuotraukoje), gali būti perspektyvus kelias link lengvų šarvų, apsauginių dangų, smūginių skydų ir kitų medžiagų. Paskola Pagarbiai, tyrėjai

Nauja anglies pagrindu pagaminta medžiaga gali būti lengvesnių, griežtesnių „Kevlar և“ plieno alternatyvų pagrindas.

Naujas inžinierių MIT, „Caltech“ ir ETH Ciuricho tyrimas rodo, kad „nanoarchyvuotos“ medžiagos, pagamintos iš tikslių raštų nano skalės struktūrų, gali būti perspektyvus kelias link lengvų šarvų, apsauginių dangų, sprogstamųjų skydų ir kitų patvarių medžiagų.

Mokslininkai sukūrė itin lengvą medžiagą, pagamintą iš nanometro mastelio anglies tinklelio, kuris suteikia medžiagai tvirtumo ir mechaninio stiprumo. Komanda išbandė medžiagos ilgaamžiškumą fotografuodama ją į mikrodaleles viršgarsiniu greičiu ir nustatė, kad plonesnė už žmogaus plaukų plotį medžiaga neleidžia miniatiūriniams sviediniams jų draskyti.

Tyrėjai apskaičiavo, kad palyginti su kitomis medžiagomis, kurios yra palyginti atsparios plieno, molio ir aliuminio poveikiui, naujoji medžiaga efektyviau sugeria smūgį.

„Tas pats mūsų medžiagos masės kiekis būtų daug efektyvesnis sustabdant sviedinį, nei tas pats Claire masės kiekis“, – sakė Carlos Portella, pagrindinis tyrimo autorius, MIT mechanikos inžinerijos profesorius

„Nanomaterial“ atsparumo viršgarsinės mikrodalelės:

Komanda išbandė medžiagos ilgaamžiškumą fotografuodama ją į mikrodaleles viršgarsiniu greičiu ir nustatė, kad plonesnė už žmogaus plaukų plotį medžiaga neleidžia miniatiūriniams sviediniams jų draskyti. Paskola Pagarbiai, tyrėjai

Jei šios medžiagos gaminamos masiškai, jos gali būti suprojektuotos kaip lengvesnės, tvirtesnės „Clarin արի“ plieno alternatyvos.

„Šio darbo metu įgytos žinios gali„ suteikti itin didelio poveikio “projektavimo principus. [for use in] „Veiksmingi šarvai, apsauginės dangos, sprogimui atsparūs skydai, kurie yra pageidautini gynybos ir kosmoso programose“, – sako bendraautorė ia ulia R. Greeris, „Caltech“ medžiagų mokslo, mechanikos ir medicinos inžinerijos profesorius, kurio laboratorija vadovavo medžiagos paruošimui.

Komanda savo rezultatus paskelbė 2021 m. Birželio 24 d. Žurnale Gamtos medžiagos, įskaitant Davidą Weissettą, Jocheną Suną և Keithą A. Nelsonas, MIT Pažangiosios nanotechnologijos institutas, Chemijos katedra, Dennisas M. Kochmanas iš ETH üuricho.

Lenkimas iš trupinių

Nanoarchitektuotą medžiagą sudaro raštuotos nanometrų skalės struktūros, kurios, atsižvelgiant į jų išdėstymą, gali suteikti medžiagoms unikalių savybių, tokių kaip išskirtinis lengvumas ir lankstumas. Taigi nanoarchyvai laikomi potencialiomis lengvomis, tvirtesnėmis smūgiams atspariomis medžiagomis. Tačiau šis potencialas iš esmės neišbandytas.

„Mes žinome tik apie jų reakciją sulėtintu režimu, nors daroma prielaida, kad dauguma jų praktiškai naudojami realaus pasaulio programose, kur niekas nesulėtėja“, – sako Portela.

Itin pluoštinė medžiaga, pagaminta iš nanometro mastelio anglies bangų

Mokslininkai sukūrė itin lengvą medžiagą, pagamintą iš nanometro mastelio anglies tinklelio, kuris suteikia medžiagai tvirtumo ir mechaninio stiprumo. Paskola Pagarbiai, tyrėjai

Komanda pradėjo tirti nano-archyvuotas medžiagas greitos deformacijos sąlygomis, tokiomis kaip didelio greičio smūgiai. „Caltech“ jie pirmiausia pagamino nanoarchyvuotą medžiagą, naudodami dviejų fotonų litografiją – techniką, kurioje naudojami greiti, daug energijos reikalaujantys lazeriai, kad prie šviesai jautrios dervos pritvirtintų mikroskopines struktūras. Tyrėjai sukūrė pasikartojantį modelį, vadinamą tetrakaidekaedrą – mikroskopinių priedų tinklą.

„Istoriškai ši geometrija rasta energiją minkštinančiose putose“, – sakė Portela, kuris norėjo šią putų pavidalo architektūrą pakartoti nanometriniu anglimi, kad įprastai kietai medžiagai būtų suteikta lanksti, smūgius sugerianti savybė. “Nors anglis paprastai yra trapi, nanoarchito medžiagų struktūros su mažomis guminėmis pagrindais sukuria daugiausia sulenktą architektūrą.”

Nanomedžiaga sugeria energiją

„Mes parodome, kad medžiaga gali sugerti daug energijos dėl šio smūgių sugeriančio nanodalelių pagrindų mechanizmo, priešingai, ji yra visiškai tanki-monolitinė, o ne nano-archyvuota“, – sako Carlosas Portella. Paskola Pagarbiai, tyrėjai

Suprojektavę grotelių struktūrą, mokslininkai nuplauna likusią dervą ir įdėjo į aukštos temperatūros vakuuminę orkaitę, kad polimeras virstų anglimi, palikdamas super nanokristalizuotą anglies medžiagą.

Greitesnis nei garso greitis

Norėdami patikrinti medžiagos stabilumą iki ekstremalių deformacijų, komanda MIT atliko mikrodalelių smūgio eksperimentus, naudodama lazerinių dalelių smūgio bandymus. Technikos tikslas yra naudoti greitaeigius lazerius per stiklinę stiklinę, padengtą plonu aukso sluoksniu, kuris pats padengtas mikrodalelių sluoksniu, šiuo atveju 14 mikronų pločio silicio oksido dalelėmis. Kai lazeris praeina per stiklelį, tai sukelia greitą plazmos ar aukso dujų išsiplėtimą, o tai silicio oksido daleles stumia lazerio kryptimi. Tai lemia greitą mikrodalelių pagreitį taikinio link.

Tyrėjai gali koreguoti lazerio galią, kad valdytų mikrodalelių sviedinių greitį. Savo eksperimentų metu jie tyrė mikrodalelių greitį viršgarsiniu diapazonu nuo 40 iki 1100 m / s.

Meteorito smūgio modeliavimo materialinė žala

Komanda nustatė, kad naudodami meteorito pėdsakų modelį jie galėjo numatyti, kokią žalą gali patirti medžiaga. Paskola Pagarbiai, tyrėjai

„Ultragarsas yra apie 340 metrų per sekundę, tai yra garso greitis ore jūros lygyje“, – sako Portela. – Taigi kai kurie eksperimentai lengvai pasiekė dvigubą garso greitį.

Naudodamiesi didelės spartos fotoaparatu, jie nufilmavo, kaip mikrodalelės veikia nanokristalizuotą medžiagą. Jie turėjo du skirtingo tankio gaminius. Mažiau tankios medžiagos išsipūtimai buvo šiek tiek plonesni už kitus. Palyginę abiejų medžiagų reakciją į smūgį, jie nustatė, kad kuo tankesnė, tuo patvaresnė, mikrodalelės buvo linkusios įterpti į medžiagą, o ne tiesiogiai suplėšyti.

Norėdami atidžiau pažvelgti, tyrėjai atidžiai išpjaustė įmontuotas mikrodaleles ir medžiagas, nustatė, kad mikroskopiniai spinduliai ir pluoštai po įmontuota dalele regione suglamžyti ir kondensuoti, reaguodami į smūgį, tačiau aplinkinė architektūra liko nepakitusi.

Bakterijų dalelės, veikiančios nanoarchyvuotą medžiagą

MIT nanoarchyvuotos medžiagos, turinčios įtakos mikrodalelėms

Naudodamiesi didelės spartos fotoaparatu, mokslininkai užfiksavo vaizdo įrašus su mikrodalelėmis, veikiančiomis nano-archyvuotą medžiagą. Paskola Pagarbiai MIT / tyrėjai

„Mes parodome, kad materija gali absorbuoti didelius energijos kiekius dėl šio smūgius sugeriančio mechanizmo nanometrinėje skalėje, priešingai, jis yra pats tankiausias monolitas, o ne nanoarchyvuotas“, – sako Portela.

Įdomu tai, kad komanda nustatė, kad galėtų numatyti, kokią žalą medžiaga padarys, naudodama tūrinę analizės sistemą, apibūdinančią planetų poveikį. Naudojant principą, vadinamą Bekingemo-P teorema, atliekant šią analizę atsižvelgiama į įvairius fizikinius dydžius, tokius kaip meteorito greitis ուժ planetos paviršiaus medžiagos stiprumas, „kraterio efektyvumas“ arba meteorito dydžio tikimybė և. kasama medžiaga.

Kai komanda pritaikė lygtį pagal savo nanoarchyvuoto filmo fizines savybes իրենց mikrodalelių dydį և greitį, jie nustatė, kad sistema gali numatyti jų eksperimentinių duomenų poveikį.

Žengdamas į priekį, Portela sako, kad sistemą galima naudoti numatant kitų nanoarchyvuotų medžiagų atsparumą smūgiams. Jis planuoja ištirti įvairius nanostruktūrinius komponentus, taip pat kitas medžiagas, kurių sudėtyje yra anglies, ir būdus, kaip padidinti jų gamybą, kad suprojektuotų tvirtesnes, lengvesnes, apsaugines medžiagas.

„Nanoarchitektuotos medžiagos yra tikrai perspektyvios kaip poveikio mažinimo priemonės“, – sako Portela. – Nėra tiek daug, ko mes dar nežinome apie juos, mes pradedame atsakyti į šiuos klausimus, atverti duris į jų platų naudojimą.

Nuoroda. Carlos M. Portelai, Bryce W. Edwardsas, Davidas Weissettas, Yuchenas Sunny, Keithas A. Nelsonas, Dennisas M. Kokhman և Jul Ulia R. „Nanoarchito anglies atsparumas smūgiams ultragarsu“, 2021 m. Birželio 24 d Gamtos medžiagos,
DOI: 10.1038 / s41563-021-01033-z:

Šį tyrimą iš dalies palaikė JAV karinio jūrų laivyno tyrimų biuras, Van Busho stipendija ir JAV armijos tyrimų biuras per MIT karių nanotechnologijų institutą.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nuodingos kempinės apsaugo nuodingus paukščius ir varles nuo savo toksinų

Auksinė nuodų varlė, Phyllobates terribilis. Kreditas: Chris Wellner, Smithsonian nacionalinis zoologijos sodas Kalifornijos universiteto, San Francisko (UCSF), Stanfordo universiteto ir Kalifornijos mokslų akademijos (CAS)...

Didelė pažanga švarios energijos kuro elementų reakcijų srityje

Žinant geležies atomų tankį ir vietos dinamiką, pasiekiamas efektyvumo lygis kuro elementų oksidacijos reakcijoje, kuri niekada nebuvo realizuota. Kreditas: Teksaso universitetas Austine /...

Astronomai atranda mažytę uolėtą planetą – tik pusę Veneros masės

Šis grafinis simbolis rodo L 98-59b, vieną iš L 98-59 35 šviesmečių sistemos planetų. Sistemoje yra keturios patvirtintos uolienų planetos, kurios gali atsirasti...

Du antihipertenziniai vaistai apsaugo nuo tos pačios širdies ligos, bet skirtingo šalutinio poveikio

Analizuojant beveik 3 milijonus pacientų, vartojusių pirmuosius kraujospūdį mažinančius vaistus, angiotenzino receptorių blokatoriai (ARB) buvo tokie pat geri kaip ir angiotenziną konvertuojančių fermentų (AKF)...

Ličio jonų akumuliatorių „įkūrėjas“ padeda savo atradimu išspręsti 40 metų senumo problemą

Ličio jonų akumuliatorių su SNS neutronais įkūrėjas patvirtino, kad katodo medžiaga (mėlyna) be ličio niobio oksido (šviesiai žalia) žymiai sumažino pirmojo ciklo energijos nuostolius...

Newsletter

Subscribe to stay updated.