I ricercatori hanno lavorato a lungo per trovare nuovi materiali che resistano meglio alle perforazioni ad alta velocità, ma è difficile collegare i dettagli microscopici di nuovi materiali promettenti al loro comportamento reale nel mondo reale.
Per affrontare questo problema, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ideato un nuovo metodo che utilizza proiettili e dati emessi dal laser per aiutare a prevedere le proprietà microscopiche e il comportamento di un materiale bersaglio, come mostrato in un ACS Applied Materials & Interfacce articolo. Questo viene fatto utilizzando un laser ad alta intensità per sparare microproiettili a velocità vicine alla velocità del suono sul materiale bersaglio, che in questo caso è un film polimerico che rappresenta il materiale resistente alla perforazione da testare.
Lo scambio di energia tra le particelle e il campione di materiale testato viene analizzato a livello microscopico, quindi vengono utilizzati metodi di ridimensionamento per prevedere la resistenza del materiale alla perforazione da parte di un proiettile più grande e ad alta energia, come un proiettile. Proprio così, la combinazione di test con analisi e metodi di ridimensionamento consente agli scienziati di scoprire nuovi materiali resistenti alla perforazione. Il nuovo programma riduce la necessità di una lunga serie di esperimenti di laboratorio utilizzando proiettili più grandi e campioni più grandi.
La chimica del NIST Katherine Evans spiega: "Quando stai studiando un nuovo materiale per un'applicazione protettiva, con il nostro nuovo approccio possiamo sapere prima se vale la pena indagare sulle sue proprietà protettive".
La sintesi di piccole quantità di un nuovo polimero può essere abbastanza di routine negli esperimenti di laboratorio; la sfida è aumentare la quantità per testarne la resistenza alla perforazione: materiali realizzati con nuovi polimeri sintetici, aumentare le quantità fino a quantità sufficienti è spesso impossibile o poco pratico.
Il problema con i test balistici è che ci sono due passaggi che devi compiere quando crei un nuovo materiale", afferma Christopher Soles, ingegnere di ricerca sui materiali presso il NIST. Devi prima sintetizzare un nuovo polimero che ritieni sia migliore, e poi ridimensionare fino al livello del chilogrammo. Il grande risultato di questo lavoro è che abbiamo sorprendentemente scoperto che i test microbalistici possono essere ampliati e collegati a test su larga scala nel mondo reale".
Nel corso dello studio, i ricercatori hanno valutato diversi materiali utilizzando la loro metodologia, inclusi campioni di composti di vetro balistico ampiamente utilizzati, nuovi nanocompositi e materiali di grafene.
Il metodo di prova si chiama LIPIT, che sta per "test di impatto del proiettile indotto dal laser". Utilizza un laser per sparare microproiettili fatti di silice o vetro in pellicole sottili del materiale di interesse. Attraverso l'ablazione laser, il laser genera un'alta pressione onda che spinge il materiale del proiettile nel campione.
I ricercatori hanno prima utilizzato il metodo per analizzare un tipo di nanocomposito chiamato composito di polimetacrilato di nanoparticelle innestate con polimero (npPMA). È costituito da nanoparticelle di silice che possono essere utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni, compresi i giubbotti antiproiettile. I laser spingono le micro-bombe verso il materiale bersaglio a velocità da 100 a 400 metri al secondo e una videocamera viene utilizzata per misurare il loro impatto.
I ricercatori hanno combinato le misurazioni ottenute su npPMA con ulteriori analisi matematiche, insieme ai dati esistenti sul materiale dalla letteratura di ricerca, per mettere in relazione i risultati dei test con micro-bombe agli impatti in impatti più grandi. Poiché l'npPMA è un nuovo materiale non facilmente fabbricabile, hanno ampliato la loro analisi per includere un composto più comunemente usato (policarbonato), ampiamente utilizzato come vetro antiproiettile.
Usando una combinazione di risultati della letteratura, analisi dimensionale e metodologia di LIPIT, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la resistenza alla perforazione di un materiale è correlata alla massima sollecitazione che il materiale può sopportare prima della frattura (ovvero, la sollecitazione di rottura). Ciò sfida l'attuale comprensione delle prestazioni balistiche, che spesso si pensa siano correlate al modo in cui un'onda di pressione passa attraverso un materiale.
Il loro nuovo metodo consente loro di determinare il limite di resistenza di un materiale, o quanto stress e pressione può sopportare, senza dover misurare direttamente queste proprietà in anticipo, il che aiuta a ottimizzare quali materiali scegliere in un esperimento. Ciò ha permesso loro di esplorare materiali come il grafene, il che suggerisce che più strati di pellicola sottile del materiale potrebbero essere utilizzati per applicazioni resistenti agli urti, simili ai polimeri ad alte prestazioni.
Per i loro prossimi passi, i ricercatori intendono valutare le proprietà balistiche di altri nuovi materiali e studiare diversi tipi e configurazioni. Variano anche le dimensioni dei microproiettili e ampliano il loro raggio di velocità.
