Инженеры Массачусетского технологического института, Калифорнийского технологического института и Высшей технической школы Цюриха продемонстрировали, что материалы, созданные из наноразмерных структур тоньше человеческого волоса, не позволяют микрочастицам, летящим со сверхзвуковой скоростью, пробиться сквозь них. Такие структуры могут стать основой для эффективной брони, защитных покрытий и взрывозащитных щитов для чувствительной электроники, например, в оборонной и аэрокосмической промышленности. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
Специалисты создали трехмерный углеродный материал с наноструктурой методом двухфотонной литографии, когда лазерный луч перемещается по жидкой светочувствительной смоле, оставляя за собой отвердевшие микроскопические структуры. В качестве регулярной структуры была выбрана повторяющаяся конфигурация в виде четырнадцатигранника. Подобная структура характерна для пены Уэйра — Фелана, которую используют в основе энергосберегающих материалов и фотонике. После отжига структура была помещена в высокотемпературную вакуумную печь для получения сверхлегкого углеродного материала.
Чтобы проверить устойчивость структуры к экстремальной деформации, команда провела эксперименты по ударам микрочастицами в Массачусетском технологическом институте. Лазер направлялся через предметное стекло, покрытое тонкой пленкой золота, которое само покрыто слоем микрочастиц оксида кремния диаметром 14 микрон. Проходя через стекло, лазер генерирует крошечные взрывы плазмы в слое золота и таким образом выталкивает частицы кремния в направлении лазера. Скорость частиц может достигать 40-1100 метров в секунду.
Оказалось, что материал рассеивает энергию удара с эффективностью, превосходящей традиционные ударопрочные материалы, такие как сталь, алюминий, полиметилметакрилат и кевлар. Сверхскоростная визуализация и конфокальная микроскопия показала, что прочность обеспечивается такими механизмами, как формирование компактных уплотнений (компактная кратеризация) вместо выемки материала и захват микрочастиц, образовавшихся от удара. Иными словами, микрочастицы встраивались в материал, а не прорывали его.
Материал с наноархитектурой состоит из упорядоченных структур нанометрового масштаба, которые, в зависимости от того, как они расположены, придают необходимые свойства. Ученые доказали, что можно предсказать, какой ущерб будет нанесен материалу в зависимости от скорости частиц и плотности самого материала с помощью пи-теоремы по аналогии с падением метеорита на планету.