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Engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison criaram um material feito em nanofibras que supera qualquer tecnologia atualmente utilizada, como placas de aço ou Kevlar, na proteção contra impactos de projéteis de alta velocidade. Segundo seus desenvolvedores, o uso desse material na fabricação de espaçonaves poderia servir de escudo contra lixo espacial que ameaça veículos em órbita da Terra.
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“Nossos tapetes de nanofibra têm propriedades protetoras que superam em muito outros sistemas materiais, com um peso muitomenor”, diz Ramathasan Thevamaran, professor assistente de física de engenharia da UW-Madison, que liderou a pesquisa, publicada recentemente na revista ACS Nano.
Para criar o material, Thevamaran e o aluno de pós-doutorado Jizhe Cai misturaram nanotubos de carbono multiparedes — cilindros de carbono com apenas um átomo de espessura em cada camada — com nanofibras de Kevlar. Segundo eles, os tapetes de nanofibra resultantes são superiores em dissipar a energia do impacto de pequenos projéteis movendo-se mais rápido do que a velocidade do som.
Novo material à prova de balas pode ter infinidade de aplicações
Esse avanço estabelece as bases para o uso de nanotubos de carbono em materiais para blindagem leves e de alto desempenho, como em coletes à prova de balas para proteger melhor seu usuário, além de escudos ao redor de naves espaciais para mitigar danos causados por detritos em alta velocidade.
“Os materiais de nanofibras são muito úteis para aplicações protetoras porque as fibras em nanoescala têm excelente resistência, dureza e rigidez em comparação com as fibras de macroescala”, explicou Thevamaran. “Os tapetes de nanotubos de carbono mostraram a melhor absorção de energia até agora, e queríamos ver se poderíamos melhorar ainda mais seu desempenho”.
Para isso, a equipe sintetizou nanofibras Kevlar e incorporou uma pequena quantidade delas em seus tapetes de nanotubo de carbono, criando ligações de hidrogênio entre as fibras. Essas ligações de hidrogênio modificaram as interações entre as nanofibras e, juntamente com a quantidade certa de nanofibras de Kevlar misturadas aos nanotubos de carbono, causaram um salto considerável no desempenho geral do material.
“A ligação de hidrogênio é uma ligação dinâmica, o que significa que ela pode quebrar e se reparar novamente continuamente, permitindo que ela dissipe uma alta quantidade de energia por meio desse processo dinâmico”, disse Thevamaran. “Além disso, as ligações de hidrogênio proporcionam mais rigidez a essa interação, o que fortalece e enrijece o tapete de nanofibra. Quando modificamos as interações interfaciais em nossos tapetes adicionando nanofibras de Kevlar, conseguimos alcançar quase 100% de melhoria no desempenho de dissipação de energia em determinadas velocidades de impacto supersônico”.
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Os pesquisadores testaram o novo material usando um sistema de teste de impacto de microprojétil induzido por laser no laboratório de Thevamaran, usando lasers para disparar microbolhas contra as amostras de material.
“Nosso sistema foi projetado de tal forma que podemos realmente pegar um único projétil sob um microscópio e atirar contra o alvo de forma muito controlada, com uma velocidade muito controlada que pode ir variando de 100 metros por segundo até mais de 1 quilômetro por segundo”, diz Thevamaran. “Isso nos permitiu realizar experimentos em uma escala de tempo onde pudéssemos observar a resposta do material — à medida que as interações de ligação de hidrogênio acontecem”.
Além de sua resistência ao impacto, outra vantagem do novo material de nanofibras é que ele é estável em temperaturas muito altas e muito baixas, tornando-o útil para aplicações em uma ampla gama de ambientes extremos.
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