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» » Más fuerte y ligero, para resistir el impato de una bala

Referencia: Kurzweilai.net, 9 de noviembre 2012

Mientras que los escudos tradicionales se suelen hacer de materiales voluminosos como el acero, un chaleco corporal que se hace de material ligero, como el Kevlar, ha demostrado que el grosor y el peso no son necesarios para absorber la energía de los impactos.

Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT y la Universidad de Rice ha demostrado que los materiales más ligeros pueden ser capaces de hacer el trabajo con igualdad de eficacia.

La clave está en usar compuestos constituidos por dos o más materiales cuya rigidez y flexibilidad están estructurados de formas muy específicas, como en la alternancia de capas sólo a unos pocos nanómetros de espesor. El equipo de investigación produjo proyectiles de alta velocidad en miniatura y después midieron los efectos sobre el material en cuanto a la absorción de impactos.

Los resultados de la investigación se presentan en el journal Nature Communications, en un artículo co-escrito por Jae-Hwang Lee, ahora investigador científico en la univ. de Rice; Markus Retsch, el estudiante graduado Jonathan Singer; Edwin Thomas, ex profesor del MIT que ahora está en Rice; el estudiante graduado David Veysset, Gagan Saini, Thomas Pezeril, ahora en la facultad en la Universidad du Maine, en Le Mans, Francia, y el profesor de química Keith Nelson. El trabajo experimental se llevó a cabo en el Instituto del MIT por Soldier Nanotechnologies.

Los investigadores desarrollaron un polímero de auto-ensamblaje con una estructura de capas montadas: capas de caucho, que proporcionan resiliencia, alternando con capas vítreas, que proporcionan fuerza. Después desarrollaron un método para disparar bolas de vidrio sobre el material a alta velocidad, mediante el uso de un pulso de láser para evaporar rápidamente la capa de material justo debajo de su superficie.

Aunque las bolas eran pequeñas, de tan sólo millonésimas de metro de diámetro, eran aún cientos de veces mayores que las capas del polímero que impactaron: lo suficientemente grande como para simular impactos por objetos más grandes, como balas, y lo suficientemente pequeñas como para que los efectos de dichos impactos puedan ser estudiados en detalle utilizando un microscopio electrónico.

Viendo las capas

Los compuestos estructurados de polímeros fueron previamente probados para aplicaciones de protección frente a un posible de impacto. Pero nadie había encontrado una manera de estudiar exactamente cómo funcionan, así que no había manera de buscar una mejora sistemática de las combinaciones de materiales.

Las nuevas técnicas desarrolladas por los investigadores del MIT y de Rice podría proporcionar dicho método. Su trabajo podría acelerar el progreso en materiales para aplicaciones en chalecos y vehículos antibalas, blindajes para proteger los satélites de los impactos de micrometeoritos, y recubrimientos para motores de turbina a chorro que protegen de impactos a alta velocidad de partículas de arena o hielo.

Los métodos que el equipo ha ido desarrollando en laboratorio, para la producción a escala de alta velocidad de los impactos, y para medir los efectos de dichos impactos "de manera precisa", puede ser una herramienta cuantitativa de extrema utilidad en el desarrollo de nanomateriales de protección", explica Jae-Hwang Lee, ahora investigador científico en la univ. de Rice, autor principal del artículo, y que hizo gran parte de esta investigación, mientras estaba en el Department of Materials Science and Engineering del MIT. "Nuestro trabajo presenta valiosas ideas para entender la contribución" de la estructura a nanoescala y la manera en que tales materiales absorben un impacto.”

Debido a que el material en capas tiene una estructura ordenada y predecible, los efectos de los impactos son fácilmente cuantificables mediante la observación de distorsiones en la sección transversal. "Si queremos poner a prueba el comportamiento de los sistemas ordenados", dice Singer, "esta es la estructura perfecta para la prueba."

El trabajo fue financiado por la Army Research Office de EE.UU.


- Fuente: Jae-Hwang Lee et al., High strain rate deformation of layered nanocomposites, Nature Communications, 2012, DOI: 10.1038/ncomms2166 .
- Imagen: Esta imagen de microscopio electrónico de una sección transversal de una capa de polímero, muestra el cráter dejado por el impacto de una bola de vidrio, y la deformación previa incluso, de las líneas paralelas de la estructura en capas, que se dan como resultado del impacto. Las pruebas comparativas muestran que en un impacto frontal del proyectil, el material era capaz de resistir dicho impacto de forma mucho más eficaz. (Crédito: Thomas Lab, Rice University)
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Editor del blog Pedro Donaire

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