Kevlar od ponad pół wieku pozostaje złotym standardem w ochronie balistycznej. Kamizelki kuloodporne, hełmy wojskowe czy pancerze pojazdów – wszędzie tam, gdzie liczy się zatrzymanie pocisku, ten materiał sprawdzał się znakomicie. Jednak nawet on ma swoje ograniczenia, a próby poprawy jego parametrów często kończyły się kompromisami, które w praktyce zmniejszały skuteczność ochrony.
Czytaj też: Powstał materiał 6 razy wytrzymalszy niż Kevlar
Przez ostatnie sześć lat zespół naukowców pod kierownictwem Jin Zhanga z Uniwersytetu Pekińskiego pracował nad rozwiązaniem tego problemu. Efektem ich badań jest kompozytowy materiał, który pod względem kluczowych parametrów wyraźnie przewyższa dotychczasowe osiągnięcia. Co istotne, jest nie tylko mocniejszy i twardszy od kevlaru, ale również cieńszy, co może oznaczać prawdziwy przełom w projektowaniu sprzętu ochronnego. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Matter.
Nowy materiał zatrzymuje kule lepiej niż kevlar
Nowy materiał łączy w sobie dwa komponenty: heterocykliczny aramid, podobny do tego stosowanego w kevlarze, oraz specjalnie przygotowane nanorurki węglowe. Te mikroskopijne struktury węglowe odznaczają się niezwykłą sztywnością przy minimalnej wadze, a ich grubość jest wielokrotnie mniejsza od przekroju ludzkiego włosa.
Czytaj też: Materiał przyszłości ukryty w układzie okresowym. Bizmut zachowuje się wbrew przewidywaniom teoretycznym
Klucz do wyjątkowych właściwości tego włókna tkwi w jego molekularnej budowie. Chińskim badaczom udało się opracować wieloetapowy proces, który wymusza na łańcuchach aramidowych i nanorurkach węglowych układanie się w idealnie prostych, równoległych liniach. Osiągnięto to poprzez uelastycznienie bazowego włókna aramidowego, a następnie zastosowanie precyzyjnego, wieloetapowego rozciągania. Ta uporządkowana architektura molekularna pozwala materiałowi niezwykle skutecznie absorbować energię uderzenia.
W materiałoznawstwie od dawna panowało przekonanie, że zwiększenie wytrzymałości musi iść w parze ze zmniejszeniem elastyczności. Nowe włókno łamie tę zasadę, oferując jednocześnie ultrawysoką wytrzymałość dynamiczną i rekordową ciągliwość dynamiczną. W praktyce oznacza to, że materiał jest zarówno mocny, jak i odporny na odkształcenia.
Liczby mówią same za siebie – nowy kompozyt osiągnął zdolność absorpcji energii na poziomie 706,1 megadżuli na metr sześcienny. To ponad dwukrotnie więcej niż poprzedni rekord. W kontekście balistyki przekłada się to na znacznie większą ilość energii kinetycznej pocisku, jaką włókno może pochłonąć przed rozerwaniem.
Testy przeciwbalistyczne przeprowadzone na materiale wykonanym z nowego superwłókna potwierdziły laboratoryjne wyniki. Materiał wykazał wyraźnie lepszą skuteczność w porównaniu z obecnie stosowanymi tkaninami ochronnymi, skuteczniej zatrzymując pociski przy mniejszej grubości i masie. W przyszłości mogłoby to oznaczać kamizelki kuloodporne nie tylko bezpieczniejsze, ale też lżejsze i wygodniejsze w codziennym użytkowaniu.
Naukowcy podkreślają, że ich osiągnięcie to nie tylko praktyczny sukces w postaci nowego materiału. Opracowana przez nich strategia wytwarzania oraz głębsze zrozumienie mechanizmów działania takich kompozytów otwiera drogę do dalszych innowacji w dziedzinie materiałoznawstwa.