Les structures polymères de type Tubulane créées à l'Université Rice étaient mieux à même de gérer l'impact d'une balle que le cube de référence en polymère en bas à droite. La balle s'est arrêtée approximativement dans la deuxième couche des structures tubulaires, aucun dommage structurel significatif n'a été observé au-delà de cette couche. Les balles tirées à la même vitesse ont envoyé des fissures dans tout le cube de référence. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Un matériau léger plein de trous est presque aussi dur que le diamant. Les simples bosses laissées par les balles à grande vitesse le prouvent.
Des chercheurs de la Brown School of Engineering de l'Université Rice et leurs collègues testent des polymères à base de tubulanes, les structures théoriques des nanotubes de carbone réticulés devraient avoir une résistance extraordinaire.
Le scientifique du laboratoire Rice, Pulickel Ajayan, a découvert que les tubulanes peuvent être imitées à plus grande échelle, Blocs polymères imprimés en 3D qui s'avèrent meilleurs pour dévier les projectiles que le même matériau sans trous. Les blocs sont également hautement compressibles sans se briser.
Comme détaillé dans Petit , la découverte pourrait conduire à des structures imprimées de toute taille avec des propriétés mécaniques ajustables.
Les tubulanes ont été prédits en 1993 par le chimiste Ray Baughman de l'Université du Texas à Dallas et le physicien Douglas Galvão de l'Université d'État de Campinas, Brésil, les deux co-chercheurs principaux sur le nouveau document. Les tubulanes eux-mêmes n'ont pas encore été fabriqués, mais leurs cousins polymères peuvent être la prochaine meilleure chose.
L'étudiant diplômé de Rice et auteur principal Seyed Mohammad Sajadi et ses collègues ont construit des simulations informatiques de divers blocs de tubulane, imprimé les dessins sous forme de polymères à grande échelle et les a soumis à des forces d'écrasement et à des balles rapides. Le meilleur s'est avéré 10 fois meilleur pour arrêter une balle qu'un bloc solide du même matériau.
L'équipe Rice a tiré des projectiles dans des cubes à motifs et solides à 5,8 kilomètres par seconde. Sajadi a déclaré que les résultats étaient impressionnants. "La balle était coincée dans la deuxième couche de la structure, " dit-il. " Mais dans le bloc solide, des fissures se sont propagées dans toute la structure."
Des tests dans une presse de laboratoire ont montré comment le réseau de polymère poreux permet aux blocs de tubulane de s'effondrer sur eux-mêmes sans se fissurer, dit Sajadi.
Le groupe Ajayan a créé des structures similaires il y a deux ans lorsqu'il a converti des modèles théoriques de schwarzites en blocs imprimés en 3D. Mais le nouveau travail est un pas vers ce que les scientifiques des matériaux considèrent comme un Saint Graal, dit Sajadi.
"Il y a beaucoup de systèmes théoriques que les gens ne peuvent pas synthétiser, " at-il dit. " Ils sont restés peu pratiques et insaisissables. Mais avec l'impression 3D, on peut encore profiter des propriétés mécaniques prédites car elles sont le résultat de la topologie, pas la taille."
L'étudiant diplômé de l'Université Rice Seyed Mohammad Sajadi et ses collègues ont construit des simulations informatiques de blocs de tubulane, imprimé les dessins sous forme de polymères à grande échelle et les a soumis à des forces d'écrasement et à des balles rapides. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Sajadi a dit que des structures métalliques ressemblant à des tubulanes, la céramique et le polymère ne sont limités que par la taille de l'imprimante. L'optimisation de la conception du treillis pourrait conduire à de meilleurs matériaux pour les travaux civils, aérospatial, automobile, des sports, emballages et applications biomédicales, il a dit.
"Les propriétés uniques de telles structures proviennent de leur topologie complexe, qui est indépendant de l'échelle, " a déclaré Chandra Sekhar Tiwary, ancien élève de Rice, co-chercheur principal sur le projet et maintenant professeur adjoint à l'Indian Institute of Technology, Kharagpur. « Le renforcement ou l'amélioration de la capacité de charge contrôlée par la topologie peut également être utile pour d'autres conceptions structurelles. »
Les matériaux fabriqués à l'Université Rice sur la base de structures théoriques de tubulane étaient mieux à même de gérer l'impact d'une balle que le cube de référence en polymère au fond. La balle s'est arrêtée approximativement dans la deuxième couche des structures tubulaires, aucun dommage structurel significatif n'a été observé au-delà de cette couche. Les balles tirées à la même vitesse ont envoyé des fissures dans tout le cube de référence. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Selon les co-auteurs Peter Boul et Carl Thaemlitz d'Aramco Services Co., un commanditaire de la recherche, les applications potentielles couvrent de nombreuses industries, mais le pétrole et le gaz trouveront des structures de tubulane particulièrement précieuses en tant que matériaux résistants et durables pour la construction de puits. De tels matériaux doivent résister aux chocs, notamment en fracturation hydraulique, qui peuvent déchirer les ciments standards.
"La résistance aux chocs de ces structures imprimées en 3D les place dans une classe à part, " dit Boul.
