نانوالیاف جدید چند عاملی به منظور ایجاد محافظت در برابر مواد انفجاری

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر از جنگ جهانی اول، قسمت اعظمی از کشته شدگان جنگی آمریکا نه از زخم شلیک گلوله بلکه از انفجارها بوده اند. امروزه، بسیاری از سربازان جلیقه سنگین، ضد گلوله برای محافظت از خود به تن می‌کنند اما باقی بدن در معرض قطعات ناشی از انفجار هستند.
طراحی وسیله‌ای که از بیشتر قسمت‌های بدن در برابر دماهای شدید و پرتابه‌های کشنده همراه با انفجار محافظت کند، به دلیل خصوصیات پایه بیشتر مواد بسیار سخت است. موادی که استحکام کافی در برابر خطرات ناشی از حمله بالستیکی دارند نمی‌توانند در برابر تغییرات دمای شدید از فرد محافظت کنند و برعکس. در نتیجه، بیشتر ابزار محافظتی از چند لایه از مواد مختلف تشکیل شده است که منجر به ایجاد یک پوشاک حجیم و سنگین می‌شود که اگر پوشیده شود مشکلاتی در حرکت سرباز ایجاد می‌شود.
به تازگی، محققین در دانشگاه هاروارد با همکاری مرکز فرماندهی توسعه قابلیت سربازان ارتش آمریکا و مرکز غربی موفق به تولید نانوالیافی چند عاملی و بسیار سبکی شده‌اند که می‌تواند از پوشنده لباس در برابر دمای بالا و خطرات بالستیک محافظت کند. این گزارش در Matter چاپ شده است.
نویسنده ارشد، کیت پارکر پروفسور مهندسی بایو و فیزیک کاربردی از هاروارد می‌گوید: هنگامی که من در جنگ افغانستان بودم، می‌دیدم که چگونه لباس محافظ باعث نجات جان سربازان می‌شود. پالسون از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی و سرهنگ دوم در ارتش آمریکا می‌گوید: من نیز می‌دیدم که چگونه لباس محافظ سنگین می‌تواند حرکت سربازان را کند کند. سربازان میدان جنگ سه هدف اصلی دارند: حرکت، تیراندازی و برقراری ارتباط. اگر یکی از این اهداف محدود شود، نجات یافتن آنها با خطر روبرو می‌شود و پیروزی عملیات به خطر می‌افتد.
به منظور دستیابی به این اهداف کاربردی، محققین نیازمند کشف رابطه بین خصوصیات مکانیکی و عایق حرارتی بودند. خصوصیاتی که ریشه در ساختار مولکولی و آرایش‌یافتگی آنها دارد. موادی مانند سرامیک و فلزات که خصوصیات مکانیکی خوبی دارند، دارای ساختارهای مولکولی با آرایش یافتگی بالا و هم راستا هستند. این ساختار به آنها اجازه می‌دهد تا مقاومت کافی داشته باشند و انرژی را در یک خط مستقیم پخش کنند. مواد عایق، از طرف دیگر، ساختارهایی با آرایش یافتگی کمتر دارند که باعث جلوگیری از انتقال گرما در داخل ماده می‌شود.
کولار و توآرون محصولات تجاری‌ای هستند که در وسایل محافظتی به صورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توانند محافظت در برابر خطرات بالستیکی یا حرارتی را با توجه به روش تولید اعمال کنند. کولار بافته شده، برای مثال، ساختار کریستالی بسیار آرایش یافته دارد و در جلیقه‌های ضد گلوله مورد استفاده قرار می‌گیرد. اروژل‌های کولار متخلخل، از طرف دیگر، عایق حرارتی خوبی هستند.
دانشجوی فوق دکترای هاروارد، گونزالز می‌گوید: تفکر ما این بود که از پلیمر کولار به هر دو شکل الیاف بافته شده و اروژل‌های متخلخل برای تهیه یک کولار بافته شده از الیافی که هر دو این خصوصیات را دارد استفاده کنیم. در این سیستم، الیاف بلند می‌توانند خواص مکانیکی مطلوب را به پارچه بدهند و تخلخل از نفوذ حرارت جلوگیری کند.
تیم تحقیقاتی از جت اسپری چرخشی غوطه وری که روشی بهبود یافته توسط گروه پارکر برای تولید الیاف است، استفاده کردند. در این روش، محلول مایع پلیمری به مخزن تزریق می‌شود و سپس با استفاده از نیروی سانتری‌فیوژ ناشی از چرخش دستگاه به سمت محیط بیرون حرکت می‌کند. هنگامی که محلول پلیمری از مخزن خارج می‌شود ابتدا از محیط هوا عبور می‌کند و اینجا جایی است که زنجیرهای پلیمری هم راستا با یکدیگر آرایش می‌یابند. سپس محلول وارد یک حمام مایع شده که حلال را از آن خارج کرده و پلیمرها رسوب می‌کنند تا الیاف جامد شکل گیرند. از آنجایی که حمام نیز در حال چرخش است، نانوالیاف دور جمع‌کننده چرخنده جمع می‌شوند. با تنظیم ویسکوزیته محلول پلیمری، محققین می‌توانند نانوالیاف بلند و هم راستا را به صورت ورقه‌های متخلخل- که فراهم کننده دو خصوصیت محافظت در برابر گلوله و عایق حرارتی بودن ماده است-تولید کنند. در مدت زمان 10 دقیقه، این سیستم قابلیت تهیه ورقه‌های ریسیده شده در ابعاد 10 سانتی‌متر در 15 سانتی‌متر را دارد.
به منظور آزمایش ورقه‌های بافته شده، تیم هاروارد از همکار نظامی خود کمک گرفت. محققین از تست ضربه خوشه‌ای با تیراندازی به نمونه ریسیده شده به تنهایی و نمونه با لایه گذاری ساندویچی ورقه‌های نانوالیاف بین ورقه‌های بافته شده توآرون استفاده کردند. نتایج نشان داد نتایج دو نمونه دارای تفاوت اندکی با یکدیگر هستند. اما برای تست عایق حرارتی نتایج نشان دهنده این است که نانوالیاف دارای قابلیت عایق بودن با بزرگی 20 برابر نسبت به نمونه تجاری کولار و توآرون است.
پارکر می‌گوید: ما نشان دادیم که می‌توان منسوجات بسیار محافظ را برای افرادی که در محیط خطرناک کار می‌کنند نیز مورد استفاده قرار داد. چالش پیش روی ما در حال حاضر، تولید محصولات جدید برای برادران و خواهرانمان در ارتش است.
فایل این تحقیق به صورت ثبت اختراع در حال طی کردن مراحل اجرایی است و محققین به دنبال تجاری سازی آن هستند.