Nanofibras que protegem contra explosivos - Ciência e Engenharia de Materiais

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quinta-feira, 27 de agosto de 2020

Nanofibras que protegem contra explosivos


Resumo: Um grande problema enfrentado por soldados é a falta de proteção com uma maior eficiência. Assim, um grupo de pesquisadores desenvolveram um material que pudesse proteger alguém que trabalha em um ambiente extremo, explorando a relação entre proteção mecânica e isolamento térmico.




Desde a Primeira Guerra Mundial, a maioria dos ferimentos não eram por balas e sim por explosões. Hoje, a maioria dos soldados usam colete à prova de balas, porem uma grande parte do corpo ainda permanece exposta a possíveis fragmentos e estilhaços explosivos.

Tem sido muito difícil projetar algo que projeta contra temperaturas extremas, e que ainda projeta contra projéteis que possam causar explosões, isso acontece por causa de uma propriedade fundamental dos materiais. Assim, grande parte dos coletes são compostos por várias camadas de materiais diferentes, levando a coletes pesados e volumosos, que se usados nos braços e pernas, limitariam severamente a mobilidade de um soldado.


Pesquisadores de Universidade de Harvard em colaboração com o Centro de Soldados do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos Estados Unidos da América (CCDC SC) e West Point, desenvolveram um material leve e multifuncional de nanofibras que pode proteger os soldados de temperaturas extremas e ameaças balísticas.


“Quando eu estava em combate no Afeganistão, vi como um colete poderia salvar vidas”, disse Kit Parker, professor de Bioengenharia e Física aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). “Também vi o quanto coletes pesados poderiam limitar a mobilidade. Como soldados no campo de batalha, as três tarefas principais são mover, atirar e se comunicar. Se você limitar uma delas, diminui a capacidade de sobrevivência e coloca em risco o sucesso da missão."


"Nosso objetivo era projetar um material multifuncional que pudesse proteger alguém que trabalha em um ambiente extremo, como astronauta, bombeiro ou soldado, das diversas ameaças que enfrentam", disse Grant M. Gonzalez, que tem pós-doutorado no SEAS e foi o primeiro autor do artigo. Para atingir esse objetivo, os pesquisadores precisaram explorar a relação entre proteção mecânica e isolamento térmico, que são propriedades da estrutura e da orientação molecular de um material.


Materiais com forte proteção mecânica, como metais e cerâmicas, possuem uma estrutura molecular altamente ordenada e alinhada. Essa estrutura permite suportar e distribuir a energia de um golpe direto. Os materiais isolantes, por outro lado, têm uma estrutura menos ordenada, o que impede a transmissão de calor através do material.


Kevlar e Twaron são produtos comercialmente usados em equipamentos de proteção e podem fornecer proteção balística ou térmica, dependendo de como são fabricados. O tecido de Kevlar, por exemplo, possui uma estrutura cristalina altamente alinhada e é usado em coletes à prova de balas. Os aerogéis de Kevlar porosos, por outro lado, demonstraram ter alto isolamento térmico.

"Nossa idéia era usar o Kevlar para combinar a estrutura ordenada de fibras de tecidos com a porosidade dos aerogéis para criar fibras longas e contínuas com espaçamento poroso no meio", disse Gonzalez. "Nesse sistema, as fibras longas podem resistir a um impacto mecânico, enquanto os poros limitam a difusão de calor".


A equipe de pesquisa utilizou a técnica immersion Rotary Jet-Spinning (iRJS) para fabricar as fibras. Nesta técnica, uma solução de polímero líquido é carregada em um reservatório e empurrada por uma pequena abertura. Quando a solução de polímero dispara para fora do reservatório, ela primeiro passa por uma área ao ar livre, onde os polímeros se alongam e as cadeias poliméricas se alinham. Em seguida, a solução passa por um banho líquido que remove o solvente e precipita os polímeros para formar fibras sólidas. Ajustando a viscosidade da solução do polímero, os pesquisadores conseguiram transformar as nanofibras longas e alinhadas em folhas porosas, fornecendo ordem suficiente para proteger contra projéteis, mas desordem suficiente para proteger contra o calor.


Para testar as folhas, a equipe de Harvard procurou seus colaboradores para realizar testes balísticos. Foi simulado o impacto dos estilhaços disparando grandes projéteis na amostra. A equipe realizou testes prensando as folhas de nanofibras entre folhas de tecido de Twaron. Eles observaram pouca diferença na proteção entre uma pilha de folhas de tecido de Twaron e uma pilha combinada de tecido de Twaron e nanofibras.


"As colaborações acadêmicas, especialmente as de universidades como Harvard, oferecem ao CCDC SC a oportunidade de aproveitar a experiência e as instalações de ponta para aumentar nossas próprias capacidades de pesquisa e desenvolvimento", disse Kathleen Swana, pesquisadora do CCDC SC e uma das autoras do artigo.


Em testes de proteção térmica, os pesquisadores descobriram que as nanofibras forneciam 20 vezes a capacidade de isolamento térmico dos Twaron e Kevlar comerciais.


"Mostramos que é possível desenvolver têxteis altamente protetores para pessoas que trabalham nas forças armadas", disse Parker. "Nosso desafio agora é evoluir os avanços científicos em produtos inovadores para meus irmãos e irmãs das forças armadas".


O Departamento de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard entrou com um pedido de patente para a tecnologia e está buscando ativamente oportunidades de comercialização.


A pesquisa está publicada na revista Matter.



Referência:
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Multifunctional nanofiber protects against explosions. Phys.org, 29 de junho, 2020: DOI: 10.1016/j.matt.2020.06.001 

Redação: Nathielle Harka