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O Estudo Novo de Nanoscale Fornece Introspecções Para Projectar Metamaterials

Published on November 1, 2012 at 7:31 AM

O Arroz, pesquisa do MIT podia ajudar a maximizar a força da armadura para soldados, materiais aeroespaciais

Ned Thomas, decano do George R. Brown Escola da Engenharia no Arroz e em um cientista dos materiais, posses um disco do poliuretano com as balas que parasse e selasse para dentro. Thomas está conduzindo uma investigação nas características de tais materiais no nanoscale. (Foto por Tommy LaVergne)

No mundo macro, é fácil de ver o que acontece quando uma bala bate um objeto. Mas que acontece no nanoscale com as balas muito minúsculas?

Um laboratório de Rice University, em colaboração com pesquisadores em Massachusetts Institute of Technology e em seu Instituto para Nanotecnologia do Soldado, decidiu encontrar criando os materiais de alvo do nanoscale, a munição do microscale e mesmo o método para despedi-los.

No processo, recolheram uma quantidade de informação surpreendente sobre como os materiais chamados copolímeros de bloco dissipam a tensão do impacto repentino.

O objetivo dos pesquisadores é encontrar maneiras novas de fazer materiais mais impermeáveis à deformação ou à falha para uma armadura mais forte e mais clara, lâminas de turbina do motor de jato para aviões, e para que o revestimento proteja a nave espacial e os satélites dos micrometeorites e da sucata de espaço. Seu trabalho foi detalhado nas Comunicações em linha da Natureza do jornal.

O grupo foi conduzido pelo cientista Ned Thomas, William e Decano Doente dos materiais do Arroz de Stephanie do George R. Brown Escola do Arroz cientista da pesquisa da Engenharia, e do Arroz e Lee de Jae-Hwang do autor principal.

Os pesquisadores foram inspirados por suas observações nos testes balísticos macroscópicos em que um material multiblock complexo do poliuretano do copolímero mostrou a capacidade para parar não somente uma bala de 9 milímetros mas para selar igualmente a entrada atrás dela.

“O polímero prendeu realmente a bala e selado lhe,” Thomas disse, mantendo uma parte disco-feita sob medida hóquei de plástico claro com três balas encaixada firme. “Não há nenhum dano macroscópico; o material não falhou; não se rachou. Você pode ainda vê-lo completamente. Este seria um grande material balístico do pára-brisa.

“Nós queremos encontrar porque este poliuretano trabalha a maneira que faz. Teòrica, ninguém compreendido porque este tipo particular do material - que tem características do nanoscale de domínios vítreos e elásticos - seria tão bom na energia de dissipação,” disse.

Um problema, Thomas disse, é que cortar o polímero para o analisar no nanoscale “tomaria dias.” Os pesquisadores procuraram um material modelo que reagisse similarmente no nanoscale e pudesse ser analisado muito mais rapidamente. Encontraram um em um diblock-copolímero do poliestireno-polydimethylsiloxane. O material auto-monta em alternar 20 camadas do nanômetro de polímeros vítreos e elásticos. Sob um microscópio de elétron da exploração, olha como o veludo de algodão; após o teste, o teste padrão do rompimento do impacto pode claramente ser considerado.

Os resultados mostraram diversos mecanismos previstos da deformação e o resultado inesperado que para velocidades suficientemente altas, o material mergulhado derreteram em um líquido homogêneo que parecesse ajudar a prender o projéctil e, como o polímero, a selar seu trajecto da entrada. O copolímero igualmente comportou-se diferentemente segundo onde a batida das esferas. O material mostrou a melhor capacidade para dissipar a energia do impacto quando as esferas eram perpendicular despedida às camadas, Thomas disse.

Testar suas ideias tomou o equipamento especial. A equipa de investigação veio acima com um método miniaturizado do teste, dublado o teste de impacto laser-induzido do projéctil (LIPIT), que usa um pulso do laser para despedir as esferas de vidro aproximadamente 3 mícrons no diâmetro. As esferas sentam-se em um lado de um filme absorvente fino que enfrenta o alvo. Quando um pulso bate o filme, a energia faz com que vaporize e as esferas a voar fora, batendo apressam-se entre .5 e 5 quilômetros de por segundo. Desde Que as escalas da energia cinética com velocidade esquadraram, o factor de 10 na velocidade traduz a um factor de 100 na energia do impacto, Thomas disse.

O Lee calculou o impacto em termos do real-mundo: As esferas golpeiam seu alvo 2.000 vezes mais rapidamente do que uma maçã batidas de queda de um medidor a terra, mas com milhão vezes menos força. Contudo, porque a área de impacto da esfera é concentrada assim, a energia do impacto é mais de 760 vezes maior. Esse deixa uma marca, disse.

A equipe testou seus materiais em duas maneiras: horizontalmente, com a perpendicular do impacto à micro grão, e verticalmente, em linha recta nas bordas mergulhadas. Encontraram o melhor material horizontal em parar projécteis, talvez porque as camadas reflectem a parte da onda de choque do incidente. Além da zona do derretimento na frente do projéctil, as camadas mostraram a capacidade para deformar-se sem quebrar, que conduziu à absorção de energia melhorada.

“Depois Que o impacto nós pode ir dentro e secção transversal a estrutura e considerar como profundamente a bala obtida, e considera o que aconteceu a estas camadas paralelas agradáveis,” Thomas disse. “Dizem a história da evolução da penetração do projéctil e ajudam-nos a compreender que mecanismos, no nanoscale, podem ocorrer para que este seja um material tão grande, de capacidade elevada, de pouco peso da protecção.”

Thomas gostaria de estender LIPIT que testa ao outro peso leve, nanostructured materiais como o nitreto de boro, compostos e a grafite nanotube-reforçados carbono e graphene-basearia materiais. O objectivo último é, disse ele, acelerar o projecto dos metamaterials com controle preciso de suas nano e microestrutura para uma variedade de aplicações.

Os Co-autores do papel são alunos diplomados David Veysset, Cantor de Jonathan, Gagan Saini e Keith Nelson no MIT; Markus Retsch do MIT e da Universidade de Bayreuth, Alemanha; e Tomas Pezeril do MIT e Université du Maine, Le Mans, França.

A pesquisa foi apoiada pelo Escritório da Pesquisa do Exército de E.U.

Source: http://www.rice.edu

Last Update: 1. November 2012 08:57

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