Des chercheurs de la Northwestern University ont nano-conçu un nouveau type de fibre qui pourrait être plus résistant que le Kevlar.
Travailler dans une équipe multidisciplinaire qui comprend des groupes d'autres universités et de la société MER, Horacio Espinosa, James N. et Nancy J. Farley Professeur en fabrication et entrepreneuriat à la McCormick School of Engineering and Applied Science, et son groupe ont créé une fibre haute performance à partir de nanotubes de carbone et d'un polymère remarquablement résistant, fort, et résistant à l'échec. En utilisant des méthodes de test de microscopie électronique in situ de pointe, le groupe a pu tester et examiner les fibres à de nombreuses échelles différentes - de l'échelle nano à l'échelle macro - ce qui les a aidés à comprendre exactement comment de minuscules interactions affectent les performances du matériau. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue ACS Nano .
"Nous voulons créer des fibres de nouvelle génération qui présentent à la fois une résistance et une ténacité supérieures, " a déclaré Espinosa. " Un gros problème dans l'ingénierie des fibres est qu'elles sont soit solides, soit ductiles - nous voulons une fibre qui soit les deux. Les fibres que nous avons fabriquées présentent une ductilité très élevée et une ténacité très élevée. Ils peuvent absorber et dissiper de grandes quantités d'énergie avant la défaillance. Nous avons également observé que la résistance du matériau reste très, très haut, ce qui n'a pas été montré auparavant. Ces fibres peuvent être utilisées pour une grande variété d'applications dans le domaine de la défense et de l'aérospatiale."
Le projet fait partie du programme Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire (MURI) du ministère de la Défense, qui soutient la recherche par des équipes de chercheurs qui recoupent plus d'une discipline traditionnelle des sciences et de l'ingénierie. Espinosa et ses collaborateurs ont reçu 7,5 millions de dollars du U.S. Army Research Office pour l'étude des fibres perturbatrices, qui pourrait être utilisé dans les gilets pare-balles, parachute, ou des matériaux composites utilisés dans les véhicules, avions et satellites.
Pour créer la nouvelle fibre, les chercheurs ont commencé avec des nanotubes de carbone - des molécules de carbone de forme cylindrique, qui ont individuellement l'une des plus hautes résistances de tout matériau naturel. Lorsque vous regroupez des nanotubes, cependant, ils perdent leur force - les tubes commencent à glisser latéralement entre eux.
En collaboration avec la société MER et en utilisant le réacteur CVD de la société, l'équipe a ajouté un polymère aux nanotubes pour les lier ensemble, puis filé le matériau résultant en fils. Ensuite, ils ont testé la résistance et les taux de défaillance du matériau à l'aide de tests SEM in situ, qui utilise un microscope puissant pour observer la déformation des matériaux sous un faisceau d'électrons à balayage. Cette technologie, qui n'est disponible que depuis quelques années, permet aux chercheurs d'avoir des images à très haute résolution des matériaux lorsqu'ils se déforment et échouent et permet aux chercheurs d'étudier les matériaux à plusieurs échelles différentes. Ils peuvent examiner des faisceaux individuels de nanotubes et la fibre dans son ensemble.
"Nous avons appris à plusieurs échelles comment fonctionne ce matériau, " dit Tobin Filleter, chercheur postdoctoral dans le groupe d'Espinosa. "Nous allons devoir comprendre comment les molécules fonctionnent à ces échelles nanométriques pour concevoir des fibres plus solides et plus résistantes à l'avenir."
Le résultat est un matériau plus résistant que le Kevlar, ce qui signifie qu'il a une plus grande capacité à absorber l'énergie sans se casser. Mais le Kevlar est toujours plus fort, ce qui signifie qu'il a une plus grande résistance à l'échec. Prochain, les chercheurs espèrent continuer à étudier comment concevoir les interactions entre les faisceaux de nanotubes de carbone et entre les nanotubes au sein du faisceau lui-même.
"Nanotubes de carbone, les blocs de construction à l'échelle nanométrique des fils développés, sont toujours 50 fois plus résistants que le matériau que nous avons créé, " dit Mohammad Naraghi, chercheur postdoctoral dans le groupe d'Espinosa. "Si nous pouvons mieux concevoir les interactions entre les bundles, nous pouvons rendre le matériau plus solide."
Le groupe étudie actuellement des techniques - comme la réticulation covalente de tubes dans des faisceaux utilisant un rayonnement électronique à haute énergie - pour aider à mieux concevoir ces interactions.
Filleter et Naraghi ont déclaré que ce travail n'aurait pas été possible sans l'équipe interdisciplinaire qui comprend la fusion des universités et de l'industrie.
« Travailler dans un environnement où nous pouvons échanger des informations est une opportunité unique qui poussera la technologie plus loin, " a déclaré Naraghi. " MER nous a donné une matière première unique et une perspective commerciale sur le projet. À son tour, nous fournissons la compréhension scientifique fondamentale."
