Onderzoekers van de Universiteit van Peking hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat wel eens het sterkste weefsel ooit zou kunnen zijn. Het materiaal combineert aramidevezels – het polymeer dat Kevlar beroemd heeft gemaakt – met op moleculaire schaal georiënteerde koolstofnanobuisjes, waardoor een laag die dunner is dan een creditcard een kogel kan tegenhouden die met een snelheid van 300 meter per seconde vliegt.
Jin Zhang, onderzoeker aan de Universiteit van Peking, en zijn team zijn al zes jaar bezig met het ontwikkelen van een nieuw materiaal dat beter presteert dan andere materialen zoals Kevlar of Dyneema, een zeer sterk polyethyleen dat wordt beschouwd als het sterkste weefsel ter wereld. Een dergelijk materiaal kan de militaire bescherming de komende jaren ingrijpend veranderen, door veel lichtere kogelvrije kleding en voertuigen mogelijk te maken, die meer mobiliteit bieden met dezelfde bescherming.
“Ultrahoog dynamisch weerstandsvermogen en taaiheid zijn cruciaal voor vezelachtige materialen in toepassingen voor bescherming tegen schokken”, legt Zhang uit. “Dit omvat kogelvrije vesten, voertuigen en vliegtuigen.” De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Matter.
Stoffen die kogels tegenhouden
Een goed kogelvrij vest is in staat om de energie van de inslag van een projectiel te verspreiden via een netwerk van verbonden vezels die voorkomen dat het projectiel het materiaal doorboort. Als de stof goed werkt, krijgt de drager van het vest een harde klap die niet dodelijk is, maar wel een tijdje pijn zal doen.
De materialen die voor dit soort vesten worden gebruikt, zijn in de loop der jaren veranderd. Er is veel vooruitgang geboekt, van de eerste versies waarin een zware metalen plaat in het vest werd aangebracht tot materialen die hardere en lichtere weefsels opleveren, zoals gekevlarde garens, die vijf keer sterker zijn dan staal. Een ander van deze magische materialen is dragon skin, dat bestaat uit een reeks overlappende, zeer sterke keramische schubben die zijn omhuld met een glasvezelweefsel dat bestand is tegen kogels van een AK-47.
Toch biedt een vest dat half zo zwaar is, maar evenveel of meer bescherming biedt, in conflicten waar elke gram telt en vermoeidheid dodelijk kan zijn, een aanzienlijk tactisch voordeel.
Hoe het werkt
In Kevlar zijn deze vezels gemaakt van aramiden, polymeerketens die bekend staan om hun extreme sterkte. Het probleem is dat wanneer ze aan extreme belasting worden blootgesteld, de ketens de neiging hebben om over elkaar te glijden, waardoor de bescherming die ze bieden wordt beperkt en de voordelen van hun hoge mechanische eigenschappen worden ondermijnd.
Het team van Zhang ontwikkelde een strategie die de oriëntatie van koolstofnanobuisjes in de vezels reguleert om dat verschuiven te remmen. Eerst hebben ze de nanobuisjes en de aramideketens moleculair gemodificeerd om ze compatibel te maken. Vervolgens hebben ze een meerfasig strekproces ontworpen dat zowel de nanobuisjes als de aramideketens uitlijnt, waardoor de hiërarchische structuren van de vezels worden geoptimaliseerd.
Door deze verbetering werken de moleculen in het weefsel beter samen en wordt de kracht van de impact efficiënter verdeeld. In plaats van over elkaar te glijden, zoals bij Kevlar, breken de aramideketens op een gecontroleerde manier, waardoor alle energie van de kogel wordt geabsorbeerd, zo verzekeren ze. Het resultaat zijn vezels met een buitengewone weerstand, waardoor een enkele laag van 0,6 millimeter de snelheid van een kogel die met 300 meter per seconde vliegt, kan afremmen tot 220 m/s.
“Volgens de berekeningen van de energieabsorptie zijn ongeveer drie lagen weefsel voldoende om de kogel tegen te houden”, zegt Zhang, wat neerkomt op een totale dikte van 1,8 mm. Kevlar heeft minstens 4 mm nodig om hetzelfde projectiel tegen te houden.
Van het laboratorium naar het slagveld
Zhang hoopt een meer commerciële naam te vinden dan de huidige (composiet gemaakt van koolstofnanobuisjes en heterocyclisch aramide), een eerste stap naar praktische toepassing. Als ze daarin slagen, zou dit wel eens het begin kunnen zijn van een nieuwe generatie moleculaire pantsers die de stijfheid van Kevlar tot iets uit het verleden maken.
Julie Cairney, materiaalexpert aan de Universiteit van Sydney, die niet aan het onderzoek heeft meegewerkt, noemt de combinatie van aramidevezels en georiënteerde nanobuisjes een grote innovatie. “Deze aanpak zou mogelijk kunnen worden gebruikt om andere nieuwe composieten te produceren”, zegt ze tegen New Scientist.
Bovendien benadrukt ze dat de productiestrategie compatibel is met bestaande industriële processen, wat veelbelovend is voor schaalbare productie en toepassing in de praktijk. “Voor persoonlijke en militaire bescherming zouden deze materialen kunnen worden gebruikt in lichtere en effectievere kogelvrije vesten en pantsers, waardoor de veiligheid wordt verbeterd zonder dat dit ten koste gaat van de mobiliteit”, aldus Cairney.
