Des scientifiques ont utilisé des nanotubes de carbone comme base d’un nouveau matériau qui pourrait être utilisé dans des armures légères

Le poids est souvent un élément clé pour les scientifiques qui repoussent les limites des matériaux pare-balles, imaginant une armure qui assure la sécurité de son porteur tout en améliorant sa mobilité. Des ingénieurs de l’université du Wisconsin-Madison ont forgé un nouveau type de matériau de blindage ultraléger, appelé « tapis de nanofibres », dont la composition chimique unique lui permet de surpasser le Kevlar et l’acier.

La base de cette nouvelle forme d’armure est constituée de minuscules cylindres de carbone de l’épaisseur d’un seul atome. Appelés nanotubes de carbone, ils se sont révélés prometteurs en tant que matériaux de nouvelle génération pour tout, de la recherche sur les transistors au traitement de la perte de vision, en passant par les dispositifs de détection des bombes.

Pour adapter les nanotubes de carbone aux matériaux de blindage, les auteurs de cette nouvelle étude ont utilisé des versions à parois multiples et les ont combinées avec des nanofibres de Kevlar. L’idée était de s’appuyer sur des recherches antérieures démontrant le potentiel de ces matériaux pour absorber les impacts, afin de voir s’ils ne pouvaient pas être façonnés en une solution de blindage encore plus fonctionnelle.

« Les matériaux nanofibreux sont très intéressants pour les applications de protection, car les fibres à l’échelle nanométrique présentent une résistance, une ténacité et une rigidité exceptionnelles par rapport aux fibres à l’échelle macroscopique », a déclaré Ramathasan Thevamaran, qui a dirigé les recherches. « Les tapis de nanotubes de carbone ont montré la meilleure absorption d’énergie jusqu’à présent, et nous voulions voir si nous pouvions encore améliorer leurs performances. »

Pour ce faire, les scientifiques ont bricolé la chimie jusqu’à ce qu’ils tombent sur la recette gagnante. Ils ont synthétisé des nanofibres de Kevlar et en ont incorporé une petite quantité dans des « tapis » constitués de nanotubes de carbone, avec le bon rapport entre les deux, ce qui a conduit à la production de liaisons hydrogène entre les fibres. Le résultat de ces liaisons a été un bond spectaculaire des performances.

« La liaison hydrogène est une liaison dynamique, ce qui signifie qu’elle peut se rompre et se reformer en permanence, ce qui lui permet de dissiper une grande quantité d’énergie par ce processus dynamique », précise Ramathasan Thevamaran. « En outre, les liaisons hydrogène confèrent davantage de rigidité à cette interaction, ce qui renforce et rigidifie le tapis de nanofibres. Lorsque nous avons modifié les interactions interfaciales dans nos tapis en ajoutant des nanofibres de Kevlar, nous avons pu obtenir une amélioration de près de 100 % des performances de dissipation d’énergie à certaines vitesses d’impact supersoniques. »

L’équipe a mis le matériau à l’épreuve en utilisant un système d’essai d’impact de microprojectiles, dans lequel des lasers sont utilisés pour lancer des microbullets dans des échantillons de matériaux à des vitesses variables.

« Notre système est conçu de manière à ce que nous puissions prendre une seule balle sous un microscope et la lancer contre la cible de manière très contrôlée, avec une vitesse très contrôlée qui peut varier de 100 mètres (330 pieds) par seconde à plus d’un kilomètre (0,62 miles) par seconde », a déclaré Ramathasan Thevamaran. « Cela nous a permis de mener des expériences à une échelle de temps où nous pouvions observer la réponse du matériau, au fur et à mesure que les interactions entre les liaisons hydrogène se produisaient. »

Ces expériences ont montré que le nouveau matériau protégeait mieux des impacts à grande vitesse que le tissu Kevlar et les plaques d’acier. Cela jette les bases de matériaux de blindage ultralégers et très performants, et pas seulement pour les gilets pare-balles. Selon les chercheurs, ce matériau pourrait permettre aux engins spatiaux d’absorber les impacts de débris spatiaux à grande vitesse.

« Nos tapis de nanofibres présentent des propriétés protectrices qui dépassent de loin celles d’autres systèmes de matériaux pour un poids beaucoup plus léger », conclut Ramathasan Thevamaran

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07465

https://news.wisc.edu/new-lightweight-super-material-could-battle-bullets-deflect-space-debris/