Neues leichtes Supermaterial könnte Kugeln bekämpfen und Weltraumschrott ablenken

Ingenieure der University of Wisconsin-Madison haben ein Nanofasermaterial entwickelt, das seine weit verbreiteten Gegenstücke – einschließlich Stahlplatten und Kevlar-Gewebe – beim Schutz vor Projektileinschlägen mit hoher Geschwindigkeit übertrifft.

Grundsätzlich ist es besser als kugelsicher.

„Unsere Nanofasermatten weisen Schutzeigenschaften auf, die andere Materialsysteme bei viel geringerem Gewicht weit übertreffen“, sagt Ramathasan Thevamaran, ein UW-Madison-Assistenzprofessor für technische Physik, der die Forschung leitete.

Er und seine Mitarbeiter haben den Fortschritt in einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben ACS-Nano.

Um das Material herzustellen, mischten Thevamaran und der Postdoktorand Jizhe Cai mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren – Kohlenstoffzylinder, die in jeder Schicht nur ein Atom dick sind – mit Kevlar-Nanofasern. Die resultierenden Nanofasermatten sind hervorragend darin, Energie aus dem Aufprall winziger Projektile abzuleiten, die sich schneller als mit Schallgeschwindigkeit bewegen.

Der Fortschritt legt den Grundstein für die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren in leichten, hochleistungsfähigen Panzerungsmaterialien, beispielsweise in kugelsicheren Westen, um den Träger besser zu schützen, oder in Schilden um Raumfahrzeuge herum, um Schäden durch herumfliegende Mikrotrümmer mit hoher Geschwindigkeit zu mindern.

„Nanofasermaterialien sind sehr attraktiv für Schutzanwendungen, da Fasern im Nanomaßstab im Vergleich zu Fasern im Makromaßstab eine herausragende Festigkeit, Zähigkeit und Steifheit aufweisen“, sagt Thevamaran. „Carbon-Nanotube-Matten haben bisher die beste Energieabsorption gezeigt, und wir wollten sehen, ob wir ihre Leistung weiter verbessern können.“

Sie fanden die richtige Chemie. Das Team synthetisierte Kevlar-Nanofasern und baute eine winzige Menge davon in ihre Matten aus Kohlenstoff-Nanoröhren ein, wodurch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Fasern entstanden. Diese Wasserstoffbrückenbindungen veränderten die Wechselwirkungen zwischen den Nanofasern und verursachten zusammen mit der genau richtigen Mischung aus Kevlar-Nanofasern und Kohlenstoff-Nanoröhren einen dramatischen Sprung in der Leistung des Gesamtmaterials.

„Die Wasserstoffbrücke ist eine dynamische Bindung, was bedeutet, dass sie kontinuierlich brechen und sich wieder neu bilden kann, wodurch sie durch diesen dynamischen Prozess eine große Menge an Energie abgeben kann“, sagt Thevamaran. „Darüber hinaus verleihen Wasserstoffbrückenbindungen dieser Wechselwirkung mehr Steifheit, wodurch die Nanofasermatte gestärkt und versteift wird. Als wir die Grenzflächenwechselwirkungen in unseren Matten durch Hinzufügen von Kevlar-Nanofasern modifizierten, konnten wir eine nahezu 100-prozentige Verbesserung der Energiedissipationsleistung erreichen Überschall-Aufprallgeschwindigkeiten.“

Her mit den Kugeln. Die Forscher testeten ihr neues Material mit einem laserinduzierten Mikroprojektil-Aufpralltestsystem in Thevamaran’s Labor. Das System ist eines von nur wenigen Exemplaren in den Vereinigten Staaten und verwendet Laser, um Mikrokugeln in die Materialproben zu schießen.

„Unser System ist so konzipiert, dass wir tatsächlich eine einzelne Kugel unter einem Mikroskop auswählen und sehr kontrolliert auf das Ziel schießen können, mit einer sehr kontrollierten Geschwindigkeit, die von 100 Metern pro Sekunde bis zu über 1 Kilometer variiert werden kann pro Sekunde“, sagt Thevamaran. „Dies ermöglichte uns, Experimente in einer Zeitskala durchzuführen, in der wir die Reaktion des Materials beobachten konnten – während die Wechselwirkungen der Wasserstoffbrückenbindungen stattfinden.“

Neben seiner Schlagfestigkeit besteht ein weiterer Vorteil des neuen Nanofasermaterials darin, dass es wie Kevlar sowohl bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Temperaturen stabil ist, was es für Anwendungen in einer Vielzahl von extremen Umgebungen nützlich macht.