Американские ученые совершили прорыв в области материаловедения, разработав бронематериал с уникальной двумерной структурой, основанной на механических связях. Эта инновационная разработка открывает новые горизонты в производстве защитной экипировки, включая бронежилеты и баллистическую защиту. Впервые в истории был разработан двухмерный материал, чья прочность обусловлена не химическими, а механическими связями между элементами. Новый материал демонстрирует беспрецедентную прочность и способен значительно повысить эффективность существующих защитных тканей. Плотность механических связей в этом материале достигает поразительной отметки в 100 триллионов на квадратный сантиметр, что кардинально меняет подход к производству защитной экипировки.
Традиционные защитные материалы, такие как известный всем кевлар, обеспечивают защиту благодаря прочным химическим связям. Производство кевлара начинается с создания полипарафенилен-терефталамида – полимера, основу которого составляют многократно повторяющиеся амидные группы. Особая химическая структура этого полимера обеспечивает расположение молекул наподобие параллельно уложенных стержней. Водородные связи, возникающие между соседними "стержнями", служат дополнительным фактором прочности, словно связывая их вместе, и обеспечивают передачу энергии между ними. Дальнейшая обработка материала, включающая формирование нитей и их плетение в ткань для жилета, позволяет получить исключительно прочную броню, способную поглощать и рассеивать энергию удара при попадании снаряда, защищая таким образом пользователя.
На фотографии представлены примеры использования кевлара – материала, широко применяемого в производстве бронежилетов. Кевлар зарекомендовал себя как надежное средство защиты, однако имеет определенные ограничения, которые новая технология призвана преодолеть.
В то же время, прочность обычных "броневых" тканей, основанная на химических связях, имеет свои ограничения. Амидные связи подвержены деградации под воздействием ультрафиолетового излучения и влаги, что со временем снижает защитные свойства материала. Кроме того, несмотря на высокую прочность кевлара и аналогичных материалов на разрыв, их устойчивость к сжатию оставляет желать лучшего, делая их менее эффективными при воздействии тупых травм. Использование механических связей потенциально позволяет обойти эти недостатки, создав более прочный, но при этом сохраняющий гибкость материал.
В статье, опубликованной в журнале Science, группа исследователей из Северо-Западного университета, Университета Дьюка и Корнелльского университета представила результаты своей работы по созданию первого двухмерного материала, структура которого основана на механических связях. Этот материал состоит из мономеров Х-образной формы, которые соединяются друг с другом на концах. Другие мономеры вплетаются в промежутки между уже соединенными элементами. В результате формируется структура с невероятной плотностью механических связей – 100 триллионов на квадратный сантиметр, что является рекордным показателем для синтетических материалов.
Ключевой особенностью нового материала является возможность соединения и разъединения его слоев. Увеличение количества слоев повышает устойчивость материала к сжатию, в то время как уменьшение слоев обеспечивает исключительную гибкость. Согласно отчетам исследовательской группы, добавление всего 2,5% веса нового материала к существующим образцам брони значительно увеличивает их прочность и долговечность.
"Мы разработали принципиально новую полимерную структуру", – отметил Уильям Дихтель, ведущий автор исследования и специалист по химии материалов из Северо-Западного университета. "Ее можно сравнить с кольчугой: ее сложно разорвать, поскольку каждая механическая связь обладает определенной свободой перемещения. При растяжении приложенное усилие распределяется в различных направлениях. Чтобы разорвать материал, потребуется разрушить множество отдельных связей. Мы продолжаем активно изучать свойства этого материала и, вероятно, будем заниматься этим в течение многих лет".
Несмотря на то, что разработка находится на этапе экспериментальных исследований, в перспективе этот уникальный материал может быть использован как для усиления традиционных броневых материалов, так и для создания принципиально новых, значительно более прочных средств защиты.