Tyrėjai jau seniai ieško naujų medžiagų, kurios būtų geriau apsaugotos nuo didelės spartos pradūrimų, tačiau sunku susieti mikroskopines perspektyvių naujų medžiagų detales su jų elgesiu realiame pasaulyje.
Norėdami išspręsti šią problemą, Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) mokslininkai sukūrė naują metodą, kuris naudoja lazeriu skleidžiamus sviedinius ir duomenis, kad padėtų numatyti tikslinių medžiagų mikroskopines savybes ir elgesį, teigiama straipsnyje „ACS Applied Materials“. & Sąsajos, LaserMade.com supranta. Tai atliekama naudojant didelio intensyvumo lazerį, kad būtų išstumtas mikrosviedinys beveik garso greičiu iš tikslinės medžiagos, kuri šiuo atveju yra polimerinė plėvelė, vaizduojanti pradūrimui atsparią medžiagą, kurią reikia išbandyti.
Energijos mainai tarp dalelių ir tiriamos medžiagos mėginio analizuojami mikroskopiniu lygmeniu, o tada mastelio keitimo metodu numatomas medžiagos atsparumas pradūrimui didesnio didelės energijos sviedinio, pavyzdžiui, kulkos. Tokiu būdu, derindami bandymus su analizės ir mastelio keitimo metodais, mokslininkai gali atrasti naujų pradūrimui atsparių medžiagų. Naujoji programa sumažina ilgų laboratorinių eksperimentų, naudojant didesnius sviedinius ir didesnius mėginius, poreikį.
NIST chemikė Katherine Evans paaiškina: „Kai tyrinėjate naują medžiagą, skirtą apsauginiam naudojimui, taikydami mūsų naują požiūrį, galime anksčiau suprasti, ar verta ištirti jos apsaugines savybes.
Nedidelių naujo polimero kiekių sintezė laboratoriniuose eksperimentuose gali būti gana įprasta; iššūkis yra padidinti kiekį, kad būtų galima išbandyti jo atsparumą pradūrimui – medžiagos, pagamintos iš naujų sintetinių polimerų, kurių padidinti iki pakankamo kiekio dažnai neįmanoma arba nepraktiška.
Balistinių bandymų problema yra ta, kad kurdami naujas medžiagas turite atlikti du žingsnius“, – sakė NIST medžiagų tyrimų inžinierius Christopheris Solesas. Turite susintetinti naują polimerą, kuris, jūsų manymu, yra geresnis, o tada jį padidinti. Didelis šio darbo laimėjimas yra tai, kad mes stebėtinai nustatėme, kad mikrobalistiniai tyrimai gali būti išplėsti ir susieti su realaus pasaulio didelio masto bandymais.
Tyrimo metu mokslininkai savo metodu įvertino keletą medžiagų, įskaitant plačiai naudojamus balistinio stiklo junginius, naujus nanokompozitus ir grafeno medžiagų pavyzdžius.
Bandymo metodas vadinamas LIPIT, kuris reiškia "lazerio sukelto sviedinio smūgio bandymą. Naudojant lazerį mikrosviediniu, pagamintu iš silicio dioksido arba stiklo, į ploną dominančios medžiagos plėvelę iššaunamas. Lazerinės abliacijos būdu lazeris sukuria aukštą slėgio banga, kuri stumia mikrosviedinį į mėginį.
Tyrėjai pirmą kartą panaudojo šį metodą nanokompozito, vadinamo polimeru skiepytų nanodalelių polimetakrilato (npPMA) kompozitu, analizei. Jį sudaro silicio dioksido nanodalelės ir jis gali būti naudojamas įvairiose srityse, įskaitant neperšaunamas liemenes. Lazeris 100–400 metrų per sekundę greičiu varo mikro kulkas link tikslinės medžiagos, o jų smūgiui matuoti naudojama kamera.
Tyrėjai sujungė npPMA matavimus su papildoma matematine analize ir turimais duomenimis apie medžiagą iš mokslinių tyrimų literatūros, kad susietų mikrobalasto bandymų rezultatus su didesnio poveikio poveikiu. Kadangi npPMA yra nauja medžiaga, kurią nėra lengva pagaminti, jie išplėtė savo analizę įtraukdami dažniau naudojamą junginį (polikarbonatą), kuris plačiai naudojamas kaip neperšaunamas stiklas.
Naudodami literatūros rezultatų, matmenų analizės ir LIPIT metodikos derinį, mokslininkai sugebėjo įrodyti, kad medžiagos atsparumas pradūrimui yra susijęs su maksimaliu įtempimu, kurį medžiaga gali atlaikyti prieš lūžimą (ty gedimo įtempį). Tai kelia iššūkį dabartiniam balistinių savybių supratimui, kuris, kaip manoma, yra susijęs su tuo, kaip slėgio bangos praeina per medžiagą.
Jų naujasis metodas gali nustatyti medžiagos stiprumo ribą arba tai, kiek įtempių ir slėgio ji gali atlaikyti, iš anksto tiesiogiai neišmatuojant šių savybių, o tai padeda optimizuoti, kurias medžiagas pasirinkti eksperimente. Tai leido jiems ištirti tokias medžiagas kaip grafenas, o tai rodo, kad keli ploni medžiagos sluoksniai gali būti naudojami smūgiams atspariems darbams, panašiai kaip didelio našumo polimerai.
Kitame žingsnyje mokslininkai planuoja įvertinti kitų naujų medžiagų balistines savybes ir ištirti skirtingus tipus bei konfigūracijas. Jie taip pat keis mikrobombų dydį ir padidins jų greičio diapazoną.
