Marilyn Minus, professeure adjointe en génie mécanique et industriel, a mis au point une fibre ultrarésistante qui rivalise avec les meilleures de l'industrie. Crédit :Mary Knox Merrill
Sur le marché actuel des fibres haute performance, utilisé pour des applications telles que les gilets pare-balles, les fabricants n'ont que quatre options :Kevlar, Spectres, Dyneema, et Zylon. Fabriqué à partir de polymères tels que le polyéthylène, il s'agissait des fibres synthétiques les plus résistantes au monde, jusqu'à récemment.
Marilyn Minus, professeur adjoint d'ingénierie à Northeastern, a développé un type de fibre plus résistant que les trois premiers produits commerciaux mentionnés ci-dessus, et, même dans sa première génération, se rapproche de près de la force de la quatrième (Zylon).
Ajout de petites quantités de nanotubes de carbone—droit, les particules cylindriques entièrement constituées de fibres de carbone en polymère augmentent légèrement leur résistance. Mais en tant qu'étudiant diplômé du Georgia Institute of Technology il y a cinq ans, Minus a pensé qu'avec un peu plus de contrôle, elle pourrait peut-être transformer ces modestes améliorations en améliorations spectaculaires. Elle a passé les quatre dernières années à Northeastern à prouver son intuition.
Dans un article récemment publié dans la revue Matériaux macromoléculaires et ingénierie , Minus a présenté un processus ajustable pour créer des fibres ultra-résistantes qui rivalisent avec les meilleures de l'industrie. Comme pour les travaux précédents, La méthode de Minus intègre des nanotubes de carbone dans la fibre polymère, mais plutôt que de servir simplement d'ingrédient ajouté, les nanotubes remplissent désormais également un rôle d'organisation.
De la poudre de noir de carbone aux particules métalliques, une variété de matériaux peut guider la formation de types de cristaux spécifiques dans un processus appelé nucléation. Mais avant les nanotubes de carbone, Minus a dit, "nous n'avons jamais eu un matériau de nucléation aussi similaire aux polymères."
Les fibres créées par l'équipe de Minus sont représentées en rouge. Le réglage du processus de cristallisation les rend plus résistants que tout autre matériau sur le marché, à l'exception du Zylon. Crédit :Marilyn Minus.
Cette similitude permet aux nanotubes d'agir comme des patins le long desquels les longues chaînes de polymère peuvent glisser, s'alignant parfaitement les uns sur les autres.
Mais c'est le processus de cristallisation qui est à l'origine des propriétés remarquables récemment rapportées. Dans leurs recherches, Minus et ses collègues ont montré qu'ils pouvaient facilement activer ou désactiver ces propriétés. En ne changeant rien d'autre que le schéma de chauffage et de refroidissement du matériau, ils ont pu augmenter la résistance et la ténacité des fibres fabriquées avec les mêmes ingrédients.
Après avoir utilisé le réglage du processus de cristallisation, L'imagerie au microscope électronique montre que les nanotubes à l'intérieur de la fibre sont recouverts de polymère. Crédit :Marilyn Minus
Dans la recherche actuelle, Minus et ses collègues ont élaboré la recette et le processus d'un polymère en particulier :l'alcool polyvinylique. "Mais nous pouvons le faire avec d'autres polymères et nous le faisons, " elle a dit.
La simple combinaison des nanotubes et du polymère n'induit pas le polymère à revêtir uniformément le nanotube. Crédit :Marilyn Minus
Avec le financement d'une nouvelle subvention de la Defense Advanced Research Projects Agency, Minus va maintenant élaborer la méthode pour un polymère appelé polyacrylonitrile, ou PAN. C'est le matériau dominant utilisé pour former les fibres de carbone, qui présentent un intérêt particulier dans les matériaux composites légers tels que ceux utilisés dans l'avion de ligne Boeing 787. Avec la structure plus organisée offerte par la méthode de Minus, ce matériau pourrait voir une augmentation considérable de ses performances déjà excellentes.
