Grafenový pancíř je pro kulky tvrdší než diamant  
Nový materiál diamen, který je odvozený z grafenu, by se mohl stát základem pro osobní pancíře i ochranu rozmanitých vojenských i civilních systémů.

Diamen by mohl fungovat jako ultimátní pancíř. Kredit: Ella Maru Studio / CUNY.
Diamen by mohl fungovat jako ultimátní pancíř. Kredit: Ella Maru Studio / CUNY.
Mnohé pancíře a ochranné prostředky jsou těžké a mohutné. Nejspíš jim ale už zvoní hrana. Pokud bude úspěšně pokračovat výzkum týmu City University of New York (CUNY), tak bychom se měli dočkat velmi lehkých a přitom extrémně pevných pancířů.

Elisa Riedo. Kredit: Georgia Tech.
Elisa Riedo. Kredit: Georgia Tech.
Hlavní roli v tom hraje grafen, jak jinak. Grafen má obdivuhodné vlastnosti. Je elektricky vodivý i slušně propustný pro světlo. Je také nesmírně lehký a zároveň úžasně pevný. Přestože je strukturou vlastně podobný grafitu, který není zrovna vzorem odolnosti, tak je grafen jedním z nejpevnějších známých materiálů na světě.


Elisa Riedo a její spolupracovníci totiž zjistili, že když do grafenu uspořádaného ve dvou vrstvách něco narazí, například kulka, tak se v tom místě stane grafen dočasně tvrdším, nežli diamant. A tudíž pro kulku neproniknutelným. Tomuto novému materiálu říkají Riedová a spol. diamen (anglicky diamene). Kromě dvou vrstev grafenu, tedy jednoatomových plátků z atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníků, ho tvoří ještě substrát z karbidu křemíku (SiC).

Karbid křemíku. Kredit: dokola / Wikimedia Commons.
Karbid křemíku. Kredit: dokola / Wikimedia Commons.
Podle vědců jde o nejtenčí materiál s tvrdostí a odolností diamantu, který byl kdy vytvořen.


Diamen je za normálních okolností lehký a ohebný jako folie. Pokud do něj ale za pokojové teploty něco náhle udeří nebo vystřelí, tak se dočasně stane tvrdším, nežli diamant. Tenhle materiál vymyslel materiálový vědec Angelo Bongiorno, který si ho vymodeloval na počítači. Klíčové podle něj je, aby zmíněné dva plátky grafenu byly vůči sobě správně uspořádané.


Riedová a spol. vyzkoušela miniaturní vzorky skutečného diamenu, který vyrobili podle Bongiornova modelu. Je pozoruhodné, že tahle dočasná změna strukury funguje, jen pokud je diamen tvořen právě dvěma vrstvami grafenu. Nesmí jich mít ani méně, ani více. Dočkáme se v dohledné době diamenových osobních pancířů?

Video:  Graphene science Mikael Fogelström / TEDxGöteborg


Literatura

Advanced Science Research Center, GC/CUNY 18. 12. 2017. Nature Nanotechnology online 18. 12. 2017.

Datum: 26.12.2017
Tisk článku

Související články:

Porézní 3D grafen je velmi lehký a přitom desetkrát pevnější než ocel     Autor: Stanislav Mihulka (10.01.2017)
Jak vyrobit kvalitní grafen ve velkém? Explozí!     Autor: Stanislav Mihulka (05.02.2017)
Nová forma uhlíku je tvrdá jako kámen a elastická jako guma     Autor: Stanislav Mihulka (12.06.2017)
Jeden svět nestačí: Podivuhodný grafen míří do vesmíru     Autor: Stanislav Mihulka (18.12.2017)



Diskuze:

Na podojení DARPA grantů je to vynikající

Josef Hrncirik,2018-01-28 19:16:59

Každý schvalovač ví, že z grafitu vznikne relativně snadno modifikace diamantu lonsdaleite. Obvykle už neví, že přeměna vyžaduje i teplotu min 400-1000°C při cca 40 GPa a že se udává tvrdost 8; 7; ale i jen 3 podle směru.
Podezřelá je i hustota 3,2 až 3,52 jako u diamantu.
Někteří však tvrdí že lonsdaleite je vůbec nejtvrdší i nejpevnější materiál ?i když má nejasnou a menší hustotu i index lomu než démant.
Na tvorbu diamantu z grafenu Elsa usuzuje z nepatrně menší deformace u stlačované trojvrstvy grafenu, pokud je správně uložena na správné mezivrstvě uhlíku napařené na správnou krystalografickou rovinu karbidu křemíku makrokrystalu. Dočasnou tvorbu diamantové struktury prý naměřili ze změn deformace této vrstvy i stlačením "blátivým" hrotem křemíku. Nejspíše se jim pomíchaly deformace v Si hrotu, změna objemu z modif. přeměny ve 3 grafenových vrstvách, stlačení diamantové dvojvrstvy, stlačení SiC podložky. cca v 10% však diamantovou vrstvu propíchli. Možná to velení a pojišťovně stačí.
Asi si šlapou po štěstí, protože občas prý diamantový indentor nepropíchl organickými nečistotami znečistěné grafeny.
Taková zázračná mastička na pancíře či na "kulky", to je přesně to, co Abrams potřebuje.
Rovinnost SiC a hlavně povrchu 3. grafenové vrstvy byla horší než modifikační smrštění, natož rozdíl deformace z nárůstu modulu.
S jistotou však tvrdí, že po snížení tlaku diamant se zlomyslně přemění na grafit a nikdy nelze připravit diam. vrstvu tlustčí než ze 3 grafenů, což slavně potvrdily i výpočtové simulace.

Odpovědět

Znemožnění diskuze.

Kovák Novák,2018-01-02 11:22:28

Všimli jste si i ostatní, že Vám umožní diskutovat jen 1x maximálně 2x a potom se najednou nemůžete přihlásit. Klidně to zkusíte pod jinou adresou a ono se to opakuje. Ale nicky Krnič apod. jsou nezničitelné. Celá ta komedie na diskuzi je trapná a já to zde jen ventiluji, abyste to věděli, že nejste sami -)).
Uvedu to u maxima článků, dokud nebudu vymazán. Zn. OSEL pro osly ......

Odpovědět

Tvrdsi ?!?

Radoslav Porizek,2017-12-30 02:13:10

Tvrdost zjednodusene urcuje, cim do coho mozte spravit ryhu.
Diamen teda nie je tvrdsi ako diamant.

Pohltenie energie strely a schopnost ju ubrzdit je odlisna mechanicka vlastnost.
Kelvar nie je mimoriadne tvrdy, rovnako pancier z oceli nie.
Keby mal niekto pancier, alebo vestu z diamantu, dopadol by velmi zle.

Obrazok projektilu, ktoreho priemer je porovnatelny so vzdialenostami atomov v grafene, je taka blbbost az to dvermi trieska.

Zaver: v clanku je tolko hluposti, ze ani nestoji za hlbsiu analyzu. Rozpravanie o tom, ze diamen zablokuje strelu ucinejsie ako kelvar je na urovni tej o Cervenej Karkulke.

Odpovědět

Výtah

Petr Ch,2017-12-29 10:45:54

Zbraně, zbraně, zbraně.....Nemáme zde konečně materiál pro VESMÍRNÝ VÝTAH?

Odpovědět


Re: Výtah

Hari Seldon,2017-12-30 10:55:21

K čemu? Aby se lépe dopravovaly nahoru zbraně?

Odpovědět


Re: Re: Výtah

Radoslav Porizek,2017-12-30 21:05:02

Nuz napriklad nato, aby si sa ty, alebo tvoje deti mohli vyviest na stacionarnu drahu Zeme za par tisicov alebo desiatok tisicov.

V sucasnoti musis vsetok material, co vyvezies na orbitu cenovo vyvazovat zlatom. Vesmirny vytah by teda bol zlom v kozmickom rozvoji, mohli by sme kolonizovat Mesiac a Mars, tazit asteroidy, a podobne.

Odpovědět


Re: Re: Re: Výtah

Vojta Ondříček,2017-12-31 15:16:48

Si myslím, že jen náklady na zabezpečení životních funkcí člověka (kyslík, pití, jídlo, odpad, klimatizace) a na energii by na cestu až na geostationérní stanici a zpět přišly na víc, než na nějakých pár desetitisíc Eur. Jízda 36 tisíc kilometrů pro člověka smrtelným prostředím trvá dny a stojí prachy. Na kolik by vyšla kostrukce, provoz a údržba takového výtahu a tudíž jeho amortizace se neví ani v náznaku.
Doprava reaktivním pohonem proti tomu bude "za babku".

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Výtah

Radoslav Porizek,2018-01-01 21:46:05

Nuz myslis si uplne zle.

36 tisic kilometrov nie je ani cesta okolo sveta, ktora ta vyjde iba niekolko tisic USD, cize menej nez vynesenie jedineho kilogramu na geostacionarny orbit (cca. 27 000 USD).
Vynesenie jedneho cloveka stoji priblizne 70 milionov USD, cize vyse 10-tisic nasobne viac ako tych 36-tisic kilometrov po Zemi. A to v tej cene nie je zaratane vynesenie tych tvojich systemov na zabezpecenie zivotnych funkcii cloveka na orbitu.

Videl som vedecke analyzy, ktore odhadovali naklady letenky na geostacionarnu drahu pri predpoklade hromadneho pouzivania na zhruba 300 USD.

Nezabudaj, ze pri reaktivnom pohone musis:
1. Vynasat zo sebou aj vsetko palivo, ktore potrebujes pouzit na dalsi, ktoreho je neporovnatelne viac, nezu uzitocny najklad.
2. Urychlit naklad na ohromnu rychlost 3 km/s (10 000 km/h)
Doprava reaktivnym pohonom pret nikdy nebola, nie je, a ani nebude "za babku"/

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Výtah

Josef Hrncirik,2018-01-02 07:40:25

Někteří plejtváci urychlují náklad až na 8 km/s

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Výtah

Radoslav Porizek,2018-01-02 20:34:43

1. kozmicka rychlost (priblizne 8 km/s) je potrebna na kruhovy obeh na urovni povrchu planety.
Geostacionarna draha (42 164 km)je zhruba 6.6-nasobne dalej od taziska planety ako povrch (6 378 km) , gravitacna sila je tam zrhuba 44-nasobne slabsia (6.6 na druhu) a rychlost potrebna na pohyb po kruznici je 2.6-nasobne pomalsia (druha odmocnina z 6.6), teda je to tych 3 km/s.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Kruhov%C3%A1_rychlost

Pri vystupe na geostacionarnu orbitu sa raketa najprv urychluje az na 10 km/s, z vystupom do vysky nasledne klesa az na 1.64 km/s, takze ju treba na konci urychlit na 3 km/s, aby ostala na kruhovej drahe.

https://en.wikipedia.org/wiki/Geostationary_transfer_orbit

Takze mas pravdu, raketu treba urychlit na rychlost niekolkonasobne vyssiu ako 3 km/s, aby vystupila na geostacionarnu drahu proti gravitacnemu posobeniu.

Odpovědět

skúška naostro

Martin Smatana,2017-12-28 09:33:48

Je jeden spôsob ako vyskúšať skutočnú a nie iba teoretickú účinnosť diamenovej nepriestrelnej vesty - vyrobiť také vesty, navliecť ich na členov výskumného tímu a strieľať ostrými.
Nabudúce si rozmyslia, čo pustia do éteru.

Odpovědět

Vlastislav Mach,2017-12-28 00:01:36

Což takle ochrana satelitů a družic před mikrometeority? A nebo i před většími kusy hornin. Je tato moje úvaha správná?

Odpovědět


Re:

Pavel Hudecek,2017-12-28 02:55:26

Tady bych byl dost skeptický, protože oběžné rychlosti kolem Země jsou nejčastěji přes 7 km/s, tedy brutálně nadzvukové pro jakýkoli materiál. Místní destrukce tak nastane daleko dříve, než se reakce na působící sílu stihne rozšířit do okolí.

Odpovědět


Re: Re:

Josef Hrncirik,2017-12-29 11:27:33

Rychlost zvuku v oceli je cca 5 km/s a přesto penetrátor 1,6 km/s prochází zdí.

Odpovědět


Re: Re:

Alexandr Kostka,2017-12-31 08:31:26

Nebyl bych si jistý, jestli by to nebylo kontraproduktivní. Vzhledem k poměru velikosti mezi tělem satelitu a solárními panely, obvykle dotyčné zrníčko prachu proletí panelem a "jen" zkratuje pár buňěk. Pokud by neprolétlo a zastavilo se, možná to urve celý panel. Nebo by musel být podstatně masivnější, což zase nesmírně zvyšuje hmotnost družice.

Odpovědět

diamen

Florian Stanislav,2017-12-27 11:36:03

Zajímavé použití, spíš bych věřil na nějaké velmi odolné povrchové vrstvy pracovních rukavic.
Neprůstřelné vesty mají málo průtažná a pevná vlákna ( kevlar) ve formě provazců jako a pytlovinové sítě. Chápal bych diamen jako pomocnou velmi pevnou mezivrstvu. Grafen svou nepatrnou hmotností vrstvy nepomůže při pohlcení energie střely, která se přenese jako plochý úder na tělo. 1 m^2 grafenu má hmotnost 0,757 gramů. Pevnost VE SMĚRU VRSTVY je stejná jako u diamantu. Substrát z karbidu křemíku (SiC) je asi ve formě vláken.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Vl%C3%A1kna_z_karbidu_k%C5%99em%C3%ADku
"vlákna z karbidu křemíku mají tažnou pevnost cca 2,5 GPa, dosahují whiskery z tohoto materiálu až osminásobnou pevnost."
http://fyzu3v.fjfi.cvut.cz/current/web/prednasky/Materna_u3v2012.pdf
Grafen asi 130 GPa pevnost, kevlar asi 3,6 GPa.

Odpovědět


Re: diamen

Josef Hrncirik,2017-12-27 11:51:09

1 m2 grafenu má hmotnost jen 0,757 mg.

Odpovědět


Re: diamen

Lukáš Kment,2017-12-27 21:21:38

No právě proto se do vest diamen tak hodí. Prakticky nic neváží, tedy představte si, že by se do neprůstřelné vesty zabudovala jedna nebo dvě vrstvy diamenu. Diamen při dopadu ztvrdne, vlákna kevlaru poberou energii, pokud tam bude druhá vrstva diamenu, tak ta ztvrdne také a dál ještě lépe přenese energii do kevlaru.
Problém kevlaru je v tom, že je sice velmi pevný, ale energie střely působí v malém bodě. Diamen je právě ta cesta, jak tu energii střely více rozprostřít z toho malého bodu dopadu do větší plochy, a předat ji do více vláken kevlaru. Tím se předejde zraněním, kdy kulka sice nepronikla vestou, ale její kinetická energie stejně mohla způsobit vnitřní zranění, například zlomené žebro. Čili běžná neprůstřelná vesta vyztužená diamem by mohla zvládat i střely větší ráže s větší kinetickou energií.
Plus samozřejmě vesty proti menším rážím by mohly být mnohem kompaktnější.

Odpovědět


Re: Re: diamen

Luděk Horáček,2017-12-27 23:04:06

Jestli se nepletu, ze zákona akce a reakce. Střela vystřelená z ruční zbraně "ublíží" střelci (kopne střelce) mnohem víc než jak by ublížila člověku jen s "diamenovou vestou" (i bez podpory kevlaru, předpokládáno ale v ideálním případě, který nejspíš nenastane), kdy se energie střely ideálně rozprostře na celou plochou hrudi.

(střelec k pohlcení zpětného rázu používá mnohem menší plochu)

Odpovědět


Re: Re: Re: diamen

Florian Stanislav,2017-12-27 23:38:23

AK -47 nenabitý váží 4,3 kg. Akce a reakce se týká hlavně střely a pušky. Pokud bude mít neprůstřelná vesta kolem 5 kg hmotnosti na přední straně a bude skutečně neprůstřelná, tak snad můžeme srovnávat úder pušky do ramene s úderem vesty do části hrudníku.
Hmotnost 1 m2 grafenu je méně než 1 g, jak opravil můj překlep pan Hrcirik.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: diamen

Florian Stanislav,2017-12-27 23:51:19

Oprava a souhlas s J. Hrncirikem: 1 m^2 grafenu má hmotnost jen 0,757 mg.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: diamen

Luděk Horáček,2017-12-28 00:09:42

Trup člověka ale váží mnohem víc než AK47.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Jan Novák9,2017-12-28 00:29:40

Váš trup je možná tvořen pevnou nedeformující se hmotou, asi hutným kovem, která reaguje na úder kulkou jako celek. Můj trup je ale tvořen poměrně měkkým materiálem s rozdílnou hustotou který na rázovou deformaci reaguje poměrně nepříjemně formou vnitřních trhlin. Naprosto zapomeňte na možnost že dvouatomová vrstva rozloží energii rovnoměrně na celý hrudník.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Vojta Ondříček,2017-12-28 05:09:22

To zajisté ... ale tahle, byť neroztrhnutelná, ale velmi lehká látka případnou střelu nezbrzdí. Střela předá svou kinetickou energii hmotě pod touto látkou. V závislosti na energii střely a na její rychlosti by místo dopadu bylo na relativně malé ploše razantně komprimováno s fatálními následky. Tady nejde pouze o podlitinu ale zničení tkáně jak rázovou vlnou, tak mechanickou komprimací. Zasažený by sice neměl v těle díru ale v místě dopadu střely a okolí tatarský biftek.
Orchanný prvek musí mít jak svou hmotnost, tak tu optimální kombinaci tvrdosti a houževnatosti. To splňují kompozitní materiály se základním prvkem z oceli. Pravdpodobně by byl nejfunkčnější pancíř v podobě se překrývajících šupin kapra podložený centimetrovou vrstvou měkkého materiálu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Alexandr Kostka,2017-12-28 08:55:12

I když musíte řešit energii nárazu, stále odpadá polovina starostí. Nemáte tam žádnou špičku projektilu, která může vlákna trhat či roztáhnout.

PS: a říkám si, co takhle aplikace na techniku? Z běžného sériového auta neprůstřelné za cenu přidání pár gramů. V podstatě nezranitelné pistolí, puškou, střepinami.. Pokud deformace karosérie nevyřadí z provozu motor, tak vás moc zajímat nemusí. Pokud bude "v gumách" také jedna či dvě vrstvy, nepůjdou prostřelit. A pokud kulka neprojde ani okénkem, tak vás maximálně zasypou střepy z bezpečnostního skla. (rozhodně příjemnější zážitek, než průstřel těla)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Josef Hrncirik,2017-12-28 10:44:32

A co takhle aplikace přímo na kulky (pochopitelně spíše povrch jádra)?
Zatímco 2 vrstvy grafenu mají tloušťku méně než cca 1 nm, není problém provést nános diamond like tlustý několik um třeba i na jádro z W či W2C.
Manipulují s pojmem tvrdosti, tj. pevnosti v tlaku větší než u diamantu, ale určitě ne řádově.
Samotný pojem tvrdosti má smysl jen pro odolnost tuhého tělesa proti relativně pomalému vtlačení cizího hrotu, jako porovnání pevností ve smyku či meze tečení v malé oblasti okolí hrotu při relativně pomalém vtlačování či řezání.
Obecně platí, že tvrdé materiály jsou křehké. Diamantové nástroje pracují v režimu škrábání s dobrým chlazením a odnášením prachu proti zadření. Úderem se diamant štípe a drtí. Určitě se dá kladivem na kovadlině rozdrtit. Surové diamanty se štípou ocelovými dlátky. Křehké jsou i slinuté karbidy a částečně i kalená ocel.
I keramické destičky z karbidu boru či jiných keramik se při zásahu projektilem z pušky (a to i jen bez jádra) drtily na střepiny a proto musely být zality v Al slitině a druhý nástřel by už nezastavily. Určitě měly tloušťku min 6 mm. Zásada byla obrátit dopad projektilu na plocho, projektil rozplácnout či lépe rozstříknout do boku a deformací houževnatých materiálů či třením pohyblivých vláken absorbovat energii do velké plochy a objemu co nejméně do směru těla. Karbid boru je přitom nejdostupnější napodobenina diamantu, tvrdší než karbid křemíku.
O mechanických vlastnostech grafenu jsem vyhledal data v diskuzi k materiálu lan vesmírného výtahu. Pokud by deformace neproběhla jako křehký lom, mohl by1 kg grafenu absorbovat až 4 MJ do trhací práce. Energii 2 kJ z AK-47 by teoreticky mohlo absorbovat 0,5 g grafenu či x (nenalezeno) g Kevlaru. Pouze v případě že nedojde ke křehkým lomům a že vazba mezi vrstvami a hmotou konstrukce je dostatečně silná ev. až předpnutá aby amplituda pancíře nebyla smrtelná či nebezpečná, což určitě není případ grafenové dvojvrstvy.
Autoři navíc požadují přesnou vzájemnou polohu vrstev a střílí si z nás naštěstí jen v počítačové simulaci. Stejně se všichni těší jen na neplášťované podzvukové střely z pistole a statečně jim nastavují hruď (a parametry střel raději neuvádí).

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Florian Stanislav,2017-12-28 11:34:42

Grafen je "jen" asi 130/3,6 = 36 x pevnější než kevlar. Čili několikaatomová vrstva diamenu se dá nahradit, nehledě na to, že neprůstřelná vesta potřebuje mít prostor pro deformační zónu a hmotnost, do jejíž změny pohybu a tvaru se energie střely rozloží.
Diamen snad může mít funkci obdobnou kroužkovému brnění
https://cs.wikipedia.org/wiki/Krou%C5%BEkov%C3%A9_brn%C4%9Bn%C3%AD
pod něž se nosila výplň a navrch pak plátové brnění.
Asi před 10+ lety ukazovali v TV českého vynálezce, který vyrobil projektily, které projdou neprůstřelnou vestou. Dávka a díry ve vestě jako v kabátě u strašáku do zelí. Speciální ostrý hrot střely je schopen vestu rozříznout. Rada vynálezce : bez vesty se lépe utíká.
Vámi uvedený 0,5 g grafenu je problém, když 1 km2 má hmotnost 0,757 g.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Josef Hrncirik,2017-12-29 09:22:29

Chybička chráněná vrstvou diamenu s přesným zákrytem 2 grafenových vrstev je nesmrtelná. Pro jistotu ale zvětšila pancíř 1000x z Km2 na km2.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Josef Hrncirik,2017-12-29 09:28:02

Na obr.1 Elsa ukazuje, že úder PET lahví s plazmově nanesenou vrstvou diamenu je účinnější uspávadlo, než úder klasickou skleněnou.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: diamen

Josef Hrncirik,2017-12-29 11:22:06

Na obr.2 Ela ukazuje počáteční fázi brutálně úspěšné penetraoe diamenu tyčinkou jeleního loje.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace