Utilizzando minuscoli proiettili lanciati dal laser e raccolte di dati, gli scienziati possono colmare più rapidamente il divario tra le proprietà microscopiche di un materiale e il suo comportamento nel mondo reale.
Un proiettile che perfora l’armatura protettiva di un primo soccorritore, una medusa che punge un nuotatore, micrometeoriti colpire un satellite: i proiettili ad alta velocità che perforano i materiali si presentano in molte forme.
I ricercatori mirano costantemente a identificare nuovi materiali in grado di resistere meglio a questi eventi di perforazione ad alta velocità, ma è stato difficile collegare i dettagli microscopici di un nuovo materiale promettente al suo comportamento effettivo nelle situazioni del mondo reale.
I ricercatori del NIST hanno progettato un metodo che utilizza un laser ad alta intensità per far esplodere microproiettili a velocità vicine alla velocità del suono su un materiale bersaglio, in questo caso un sottile film polimerico che rappresenta il materiale resistente alla perforazione da testare. Il test si chiama LIPIT, che sta per test di impatto del proiettile indotto dal laser. Combinando il test con metodi di analisi e ridimensionamento, gli scienziati possono scoprire nuovi materiali resistenti alla perforazione. Credito immagine: E. Chan/NIST
Per affrontare questo problema, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno progettato un metodo che utilizza un laser ad alta intensità per far esplodere proiettili in microscala in un piccolo campione a velocità che si avvicinano alla velocità del suono.
Il sistema analizza lo scambio di energia laser tra la particella e il campione di interesse a livello micro, quindi utilizza metodi di ridimensionamento per prevedere la resistenza alla perforazione del materiale contro proiettili energetici più grandi, come i proiettili incontrati nelle situazioni del mondo reale.
Questo nuovo metodo basato sul laser, descritto nella rivista Materiali applicati e interfacce ACS, riduce la necessità di eseguire una lunga serie di esperimenti di laboratorio con proiettili più grandi e campioni più grandi.
“Quando stai studiando un nuovo materiale per le sue applicazioni protettive, non vuoi sprecare tempo, denaro ed energia nell’aumentare i tuoi test se il materiale non ha successo. Con il nostro nuovo metodo possiamo vedere prima se vale la pena esaminare un materiale per le sue proprietà protettive”, ha affermato Katherine Evans, chimica del NIST.
LIPIT, che sta per test di impatto del proiettile indotto dal laser, utilizza minuscoli microproiettili lanciati dal laser puntati su un sottile strato di pellicola polimerica. Credito immagine: E. Chan/NIST, modificato da B. Hayes/NIST
Durante gli esperimenti di laboratorio, la sintesi di piccole quantità di un nuovo polimero, ad esempio pochi milligrammi da un oggetto di vetro delle dimensioni di una tazzina da caffè, può essere abbastanza normale. La sfida arriva con la scalabilità fino a produrre chilogrammi di materiale per poterne testare la resistenza alla perforazione.
Per i materiali realizzati con nuovi polimeri sintetici, la scalabilità fino a quantità sufficienti spesso non è possibile o praticabile.
“Il problema con i test balistici è che devi fare due passaggi quando crei nuovi materiali. Devi sintetizzare un nuovo polimero che ritieni migliore, quindi ridimensionarlo fino alla dimensione del chilogrammo. Questo è un grande salto. Il più grande risultato di questo lavoro è che abbiamo sorprendentemente dimostrato che i test micro-balistici possono essere scalati e collegati a test su larga scala del mondo reale “, ha affermato Christopher Soles, ingegnere di ricerca sui materiali del NIST.
Nel corso dello studio, i ricercatori hanno utilizzato il loro metodo basato sul laser per valutare diversi materiali, tra cui un composto ampiamente utilizzato per il vetro antiproiettile, un nuovo nanocomposito e il resistente materiale interamente in carbonio noto come grafene.
Il test si chiama LIPIT, che sta per test di impatto del proiettile indotto dal laser. Utilizza i laser per lanciare un microproiettile fatto di silice o vetro in una pellicola sottile del materiale di interesse. Attraverso un processo chiamato ablazione laser, il laser crea un’onda ad alta pressione che spinge il materiale del microproiettile verso il campione.
I ricercatori hanno utilizzato per la prima volta il metodo per analizzare un materiale nanocomposito noto come composito di polimetacrilato di nanoparticelle innestate con polimero (npPMA). È costituito da nanoparticelle di silice che potrebbero essere utili in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui i giubbotti antiproiettile. Il laser lancia microproiettili a velocità da 100 a 400 metri al secondo sul materiale bersaglio e misura il loro impatto utilizzando una videocamera.
I ricercatori hanno collegato i risultati del test sui microproiettili a ciò che accadrebbe in impatti su larga scala combinando le misurazioni ottenute sull’npPMA con ulteriori analisi matematiche incorporando i dati esistenti sul materiale dalla letteratura di ricerca.
Poiché l’npPMA è un materiale nuovo e non facile da realizzare, hanno ampliato la loro analisi per includere anche un composto più comunemente disponibile noto come policarbonato, che è ampiamente utilizzato come vetro antiproiettile.
L’approccio combinato dell’utilizzo dei risultati della letteratura, dell’analisi dimensionale e del LIPIT ha consentito ai ricercatori di dimostrare che la resistenza alla perforazione di un materiale è legata allo stress massimo che un materiale può sopportare prima di rompersi, chiamato stress da rottura.
Ciò sfida l’attuale comprensione delle prestazioni balistiche, che in genere si ritiene siano correlate al modo in cui le onde di pressione viaggiano attraverso il materiale.
Il loro nuovo approccio può identificare i limiti di resistenza di un materiale, o la quantità di stress e pressione che può sopportare, senza dover misurare direttamente queste proprietà in anticipo, il che può aiutare a ottimizzare quali materiali scegliere negli esperimenti.
Ciò ha quindi permesso loro di esplorare materiali come il grafene, che ha dimostrato che più strati di pellicola del materiale possono essere utilizzati in applicazioni di resistenza all’urto in modo simile ai polimeri ad alte prestazioni.
“Questo nuovo paradigma ci offre un nuovo strumento sperimentale per valutare l’hype di alcuni di questi grafene e altri materiali 2D che si prevede abbiano eccellenti proprietà balistiche. Abbiamo il potenziale per verificare sperimentalmente se questi materiali supererebbero i classici materiali resistenti alla balistica come i policarbonati, anche senza aumentare la sintesi di nuovi materiali 2D, che sarebbero proibitivi”, ha affermato Soles.
Il loro metodo potrebbe aiutare a identificare nuovi materiali per molte applicazioni come la produzione additiva, la protezione dei veicoli spaziali, migliori dispositivi di protezione contro i morsi di animali e persino la somministrazione di farmaci. I ricercatori stanno studiando lo sviluppo di iniezioni senza ago in cui un flusso di fluido ad alta velocità noto come getto liquido perfora la pelle.
Mentre molte applicazioni mirano a evitare forature, LIPIT può fornire spunti in questo caso su come penetrare più efficacemente nella pelle utilizzando getti liquidi come proiettili.
Per quanto riguarda i prossimi passi, i ricercatori stanno perseguendo diverse strade. Hanno in programma di valutare la resistenza balistica di ulteriori nuovi materiali e di esaminare i diversi tipi e configurazioni. Variano anche le dimensioni dei microproiettili e ampliano il loro raggio di velocità.
I ricercatori del NIST stanno anche cercando di collegare i risultati sperimentali di LIPIT a due tipi di simulazioni. Uno è l’analisi agli elementi finiti (FEA), in cui l’oggetto di interesse è modellato come un gruppo di pezzi più semplici che sono interconnessi.
FEA è tradizionalmente utilizzato per simulare la deformazione meccanica dell’intero campione. A volte i ricercatori possono eseguire una simulazione FEA più velocemente di un esperimento di laboratorio. Tuttavia, alla fine la simulazione deve concordare con i dati sperimentali sul materiale reale, ha affermato Edwin Chan, ingegnere scientifico dei materiali del NIST.
Il secondo approccio di simulazione è chiamato dinamica molecolare (MD). Questo è un tipo di simulazione su scala molto più piccola, che osserva il comportamento a livello molecolare di materiali come i polimeri. MD può esplorare come i componenti polimerici come le catene molecolari si deformano dopo che un proiettile colpisce il materiale.
“Poiché non abbiamo la possibilità di vedere direttamente cosa stanno facendo le catene polimeriche, MD è perspicace in quanto ci dà un’idea migliore del motivo per cui alcuni polimeri sono migliori per la resistenza all’impatto”, ha affermato Chan.
I ricercatori si aspettano che la loro metodologia apra molte nuove possibilità per studiare il comportamento dei materiali.
“Con questo approccio, possiamo chiederci: ‘Quali altre cose nel sistema possiamo cambiare, o come possiamo migliorare un materiale per applicazioni specifiche?’ Invece di cambiare la composizione di un materiale, potresti cambiarne la geometria. Oppure puoi studiare un materiale dalla natura e vedere come si comporta”, ha detto Evans.
Carta: Katherine Evans, Shawn Chen, Amanda Souna, Stephan Stranick, Christopher Soles e Edwin Chan. La resistenza alla perforazione del proiettile dei materiali: scalare la resistenza all’impatto dei film sottili ai materiali su macroscala. Materiali applicati e interfacce ACS. Pubblicato online il 29 giugno 2023. DOI: 10.1021/acsami.3c05130
Fonte: NIST
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