Uhlíkové nanotrubičky. Kredit: Materialscientist / Wikimedia Commons.

Materiál Kevlar, který tvoří para-amidová vlákna, má řadu pozoruhodných vlastností, včetně velmi vysoké pevnosti a odolnosti vůči horkům nebo chemikáliím. Z Kevlaru se běžně vyrábějí osobní pancíře a přilby, a to nejen pro vojenské účely ale i pro civilní využití. Používá se i jako výztuž kompozitů pro dopravní prostředky a rozmanité vybavení, pro výrobu stavebního materiálu, filtrů a mnoho dalších výrobků. Podle všeho ale Kevlar nalezl svého přemožitele, i když je vlastně jeho součástí.

Ramathasan Thevamaran. Kredit: UW–Madison.

Odborníci americké University of Wisconsin–Madison vytvořili nanovláknový materiál, který překonává v ochraně před projektily běžně používané materiály, jako je právě zmíněný Kevlar nebo pláty oceli. Stručně řečeno, je více než neprůstřelný. Jak uvádí vedoucí výzkumu Ramathasan Thevamaran, jejich nanovláknový materiál dalece překonává jiné materiály, používané k ochraně před projektily, především díky své výjimečně nízké hmotnosti.

Thevamaran a jeho spolupracovníci smísili mnohostěnné uhlíkové nanotrubičky, tedy v podstatě několik plátků grafenu smotaných přes sebe do ruličky, s nanovlákny Kevlaru. Vznikl nanovláknový materiál, který je skvělý v absorbování energie při nárazu projektilu, co letí rychleji než zvuk.

Výzkum týmu UW–Madison otevírá dveře pro používání uhlíkových nanotrubiček ve vývoji lehkých a zároveň vysoce odolných ochranných materiálů. Uplatnit by se mohly jako součást osobních pancířů nebo třeba v kosmickém průmyslu, kde by takové materiály mohly chránit satelity před menšími kusy orbitálního odpadu. Další podstatnou výhodou nového materiálu je jeho odolnost vůči extrémním teplotám, jak vysokým, tak i nízkým.

Logo. Kredit: UW–Madison.

Jak říká Thevamaran, nanovláknové materiály jsou velmi slibné jako ochrana v rozmanitých aplikacích. Vyznačují se výjimečnou pevností, tuhostí a průrazuvzdorností. V těchto parametrech předčí používaná makrovlákna. Jejich materiál založený na uhlíkových nanotrubičkách prokázal zatím nejlepší absorpci energie projektilů. Dosáhli toho vyladěním složení nového materiálu, kdy při správném poměru nanovláken Kevlaru a uhlíkových nanotrubiček dochází k provázání jednotlivých nanovláken vodíkovými vazbami. Tyto vazby jsou podle Thevamarana dynamické a neustále se přerušují a opět navazují, což dovoluje absorbovat a rozptýlit veliké množství energie.

Badatelé otestovali nový nanovláknový materiál „střelbou“. Použili k tomu speciální systém, který umožňuje odpalovat na různé materiály laserem indukované mikroprojektily. Testování probíhá s pomocí mikroskopu a jednotlivé mikroprojektily jsou odpalovány kontrolovaným způsobem a přesně definovanou rychlostí, která se může pohybovat od 100 metrů za sekundu po více než 1 kilometr za sekundu.

Video: Frontiers in Mechanical Engineering and Sciences (Ramathasan Thevamaran)

Literatura

University of Wisconsin–Madison 28. 2. 2022.

ACS Nano 15: 19945–19955.