Chất liệu áo giáp mỏng nhẹ được làm từ thảm ống nano có tính năng vượt trội hơn so với Kevlar

Trọng lượng thường là yếu tố quan trọng được các nhà khoa học cân nhắc trong việc phá giới hạn của các vật liệu chống đạn và hình dung chiếc áo giáp vừa giữ an toàn cho người mặc đồng thời cải thiện khả năng vận động của họ.

Mới đây, các kỹ sư tại Trường Đại học Wisconsin - Madison đã chế tạo ra một loại vật liệu áo giáp siêu nhẹ mới được mô tả như là "tấm thảm sợi nano", có tính năng hóa học độc đáo cho phép nó hoạt động vượt trội hơn cả Kevlar và thép.

Nền tảng cho cấu trúc áo giáp mới này là các hình trụ nhỏ bằng carbon, có tên gọi là các ống nano carbon, với độ dày bằng một đơn nguyên tử. Nó cho thấy hứa hẹn là vật liệu thế hệ tiếp theo cho mọi thứ, từ nghiên cứu bóng bán dẫn, điều trị chứng mất thị lực, đến các thiết bị phát hiện bom.

Trong quá trình điều chỉnh các ống nano carbon để sử dụng làm vật liệu áo giáp, các tác giả của nghiên cứu mới này đã lấy các phiên bản đa vách của chúng và kết hợp chúng với các sợi nano Kevlar. Ý tưởng được xây dựng dựa trên các nghiên cứu trước đó đã chứng minh tiềm năng của những vật liệu này trong việc hấp thụ các tác động, để xem xét liệu chúng có thể tạo nên một giải pháp áo giáp nhiều chức năng hơn nữa hay không.

Ramathasan Thevamaran, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Vật liệu dạng sợi nano rất hấp dẫn đối với các ứng dụng bảo vệ vì các sợi nano có độ bền, độ dai và độ cứng vượt trội hơn so với các sợi macro. Thảm ống nano carbon đã cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng tốt nhất cho đến nay và chúng tôi muốn xem liệu chúng tôi có thể cải thiện hơn nữa hiệu suất của chúng hay không”.

Để làm được điều đó, các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm, nhận biết các chất hóa học cho đến khi họ tìm ra công thức tốt nhất. Họ đã tổng hợp được các sợi nano Kevlar và kết hợp chỉ một lượng nhỏ chúng vào "tấm thảm" tạo thành từ các ống nano carbon, với tỷ lệ vừa phải. Điều này đã tạo ra các liên kết hydro giữa các sợi. Kết quả của những liên kết hóa học cho thấy có một bước nhảy vọt về hiệu suất.

Thevamaran nói: “Liên kết hydro là một liên kết động lực, có nghĩa là nó có thể phá vỡ và tái cấu trúc lại liên tục, cho phép nó phân tán và tiêu diệt lượng lớn năng lượng thông qua quá trình động lực học này. Hơn nữa, các liên kết hydro này có độ cứng hơn, giúp tăng cường và làm cứng tấm thảm sợi nano. Khi chúng tôi điều chỉnh các tương tác giữa các mặt trong tấm thảm bằng cách bổ sung thêm các sợi nano Kevlar, chúng tôi có thể đạt được mức cải thiện gần 100% về hiệu suất tiêu tán năng lượng ở một số vận tốc tác động siêu âm nhất định”.

Những thí nghiệm do nhóm nghiên cứu thực hiện cho thấy vật liệu mới đã bảo vệ chống lại các tác động tốc độ cao tốt hơn vải Kevlar và thép tấm. Điều này tạo cơ sở cho các vật liệu áo giáp siêu nhẹ, hiệu suất cao chứ không chỉ riêng áo chống đạn. Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu này có khả năng cho phép tàu vũ trụ hấp thụ và chịu được các tác động từ các mảnh vỡ vũ trụ tốc độ cao.

“Thảm sợi nano của chúng tôi bộc lộ các đặc tính bảo vệ vượt xa các hệ thống vật liệu khác với trọng lượng nhẹ hơn nhiều”, Thevamaran nhấn mạnh.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ACS Nano.