Fornecer proteção contra impactos de balas e outros projéteis de alta velocidade é mais do que apenas uma questão de força bruta. Embora os escudos tradicionais sejam feitos de materiais volumosos, como aço, A armadura corporal mais recente, feita de material leve, como o Kevlar, mostrou que a espessura e o peso não são necessários para absorver a energia dos impactos. Agora, um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT e da Rice University mostrou que até mesmo materiais mais leves podem ser capazes de fazer o trabalho com a mesma eficácia.

A chave é usar compostos feitos de dois ou mais materiais cuja rigidez e flexibilidade sejam estruturadas de maneiras muito específicas - como em camadas alternadas de apenas alguns nanômetros de espessura. A equipe de pesquisa produziu projéteis em miniatura de alta velocidade e mediu os efeitos que eles tiveram no material de absorção de impacto.

Os resultados da pesquisa são divulgados na revista. Nature Communications , em um artigo coautor do ex-pós-doutorando Jae-Hwang Lee, agora um cientista pesquisador da Rice; pós-doutorado Markus Retsch; o estudante de graduação Jonathan Singer; Edwin Thomas, um ex-professor do MIT que agora está na Rice; estudante de graduação David Veysset; o ex-aluno de pós-graduação Gagan Saini; ex-pós-doutorado Thomas Pezeril, agora no corpo docente da Université du Maine, em Le Mans, França; e o professor de química Keith Nelson. O trabalho experimental foi conduzido no Institute for Soldier Nanotechnologies do MIT.

A equipe desenvolveu um polímero de automontagem com uma estrutura de bolo em camadas:camadas de borracha, que fornecem resiliência, alternando com camadas vítreas, que fornecem força. Eles então desenvolveram um método para atirar contas de vidro no material em alta velocidade usando um pulso de laser para evaporar rapidamente uma camada de material logo abaixo de sua superfície. Embora as contas fossem minúsculas - apenas milionésimos de metro de diâmetro - elas ainda eram centenas de vezes maiores do que as camadas do polímero que impactaram:grandes o suficiente para simular impactos de objetos maiores, como balas, mas pequeno o suficiente para que os efeitos dos impactos pudessem ser estudados em detalhes usando um microscópio eletrônico.

Vendo as camadas

Compósitos poliméricos estruturados foram testados anteriormente para possíveis aplicações de proteção contra impacto. Mas ninguém havia encontrado uma maneira de estudar exatamente como eles funcionam - portanto, não havia como pesquisar sistematicamente por combinações aprimoradas de materiais.

As novas técnicas desenvolvidas pelos pesquisadores do MIT e do Rice podem fornecer esse método. Seu trabalho pode acelerar o progresso em materiais para aplicações em blindagens corporais e de veículos; blindagem para proteger os satélites de impactos de micrometeoritos; e revestimentos para lâminas de turbinas de motores a jato para proteger contra impactos de alta velocidade por partículas de areia ou gelo.

Os métodos que a equipe desenvolveu para produzir impactos de alta velocidade em escala de laboratório, e para medir os efeitos dos impactos de forma precisa, "pode ​​ser uma ferramenta quantitativa extremamente útil para o desenvolvimento de nanomateriais de proteção, "diz Lee, o autor principal do artigo, que fez muitas dessas pesquisas enquanto trabalhava no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. "Nosso trabalho apresenta alguns insights valiosos para entender a contribuição" da estrutura em nanoescala para a forma como esses materiais absorvem um impacto, ele diz.

Porque o material em camadas tem tal previsível, estrutura ordenada, os efeitos dos impactos são facilmente quantificados observando distorções na seção transversal. "Se você quiser testar como os sistemas ordenados se comportarão, "Singer diz, "esta é a estrutura perfeita para teste."

Qual direção funciona melhor

A equipe descobriu que quando os projéteis atingem as camadas de frente, eles absorveram o impacto 30 por cento mais efetivamente do que em um impacto lateral. Essas informações podem ter relevância imediata para o projeto de materiais de proteção aprimorados.

Nelson passou anos desenvolvendo técnicas que usam pulsos de laser para observar e quantificar ondas de choque em nanoescala - técnicas que foram adaptadas para esta pesquisa com a ajuda de Lee, Veysset e outros membros da equipe. Idealmente, em pesquisas futuras, a equipe espera poder observar a passagem dos projéteis em tempo real para entender melhor a sequência de eventos à medida que o material impactado sofre distorção e dano, Nelson diz.

Além disso, agora que o método experimental foi desenvolvido, os pesquisadores gostariam de investigar diferentes materiais e estruturas para ver como eles respondem aos impactos, Nelson diz:variando a composição e espessura das camadas, ou usando estruturas diferentes.

Donald Shockey, diretor do Centro de Física de Fraturas da SRI International, um instituto de pesquisa sem fins lucrativos em Menlo Park, Califórnia, diz, "É uma abordagem nova e útil que fornecerá a compreensão necessária dos mecanismos que governam como um projétil penetra em coletes e capacetes de proteção." Ele acrescenta que esses resultados "fornecem os dados necessários para desenvolver e validar modelos computacionais" para prever o comportamento de materiais de proteção de impacto e desenvolver novos, materiais melhorados.

"A chave para desenvolver materiais com melhor resistência ao impacto é entender o comportamento de deformação e falha na ponta de um projétil em avanço, "Shockey diz." Precisamos ser capazes de ver isso. "

O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.