Les ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont créé un matériau en nanofibres qui surpasse ses homologues largement utilisés, y compris les plaques d'acier et le tissu Kevlar, en matière de protection contre les impacts de projectiles à grande vitesse.

En gros, c'est mieux qu'à l'épreuve des balles.

"Nos tapis de nanofibres présentent des propriétés protectrices qui surpassent de loin les autres systèmes de matériaux à un poids beaucoup plus léger", déclare Ramathasan Thevamaran, professeur adjoint de physique de l'UW-Madison qui a dirigé la recherche.

Lui et ses collaborateurs ont détaillé l'avancée dans un article publié récemment dans la revue ACS Nano .

Pour créer le matériau, Thevamaran et le chercheur postdoctoral Jizhe Cai ont mélangé des nanotubes de carbone à parois multiples - des cylindres de carbone d'un seul atome d'épaisseur dans chaque couche - avec des nanofibres de Kevlar. Les tapis de nanofibres résultants sont supérieurs pour dissiper l'énergie de l'impact de minuscules projectiles se déplaçant plus rapidement que la vitesse du son.

Cette avancée jette les bases de l'utilisation des nanotubes de carbone dans des matériaux d'armure légers et performants, par exemple dans des gilets pare-balles pour mieux protéger le porteur ou dans des boucliers autour des engins spatiaux pour atténuer les dommages causés par le vol de microdébris à grande vitesse.

"Les matériaux nanofibreux sont très attractifs pour les applications de protection car les fibres à l'échelle nanométrique ont une résistance, une ténacité et une rigidité exceptionnelles par rapport aux fibres à l'échelle macro", déclare Thevamaran. "Les tapis de nanotubes de carbone ont montré la meilleure absorption d'énergie jusqu'à présent, et nous voulions voir si nous pouvions encore améliorer leurs performances."

Ils ont trouvé la bonne alchimie. L'équipe a synthétisé des nanofibres de Kevlar et en a incorporé une infime quantité dans leurs tapis de nanotubes de carbone, ce qui a créé des liaisons hydrogène entre les fibres. Ces liaisons hydrogène ont modifié les interactions entre les nanofibres et, associées au juste mélange de nanofibres de Kevlar et de nanotubes de carbone, ont provoqué une augmentation spectaculaire des performances globales du matériau.

"La liaison hydrogène est une liaison dynamique, ce qui signifie qu'elle peut continuellement se briser et se reformer à nouveau, ce qui lui permet de dissiper une grande quantité d'énergie grâce à ce processus dynamique", explique Thevamaran. "De plus, les liaisons hydrogène confèrent plus de rigidité à cette interaction, ce qui renforce et rigidifie le tapis de nanofibres. Lorsque nous avons modifié les interactions interfaciales dans nos tapis en ajoutant des nanofibres de Kevlar, nous avons pu obtenir une amélioration de près de 100 % des performances de dissipation d'énergie à certains moments. vitesses d'impact supersoniques."

Apportez les balles. Les chercheurs ont testé leur nouveau matériau à l'aide d'un système de test d'impact de microprojectiles induit par laser dans le laboratoire de Thevamaran. L'un des rares systèmes similaires aux États-Unis utilise des lasers pour projeter des micro-balles dans les échantillons de matériaux.

"Notre système est conçu de telle sorte que nous puissions réellement choisir une seule balle au microscope et la tirer contre la cible de manière très contrôlée, avec une vitesse très contrôlée qui peut varier de 100 mètres par seconde à plus d'un kilomètre. par seconde », déclare Thevamaran. "This allowed us to conduct experiments at a time scale where we could observe the material's response—as the hydrogen bond interactions happen."

In addition to its impact resistance, another advantage of the new nanofiber material is that, like Kevlar, it is stable at both very high and very low temperatures, making it useful for applications in a wide range of extreme environments. + Explorer plus loin

Synthesis of diamond-like carbon nanofiber film