بسمك 1.8 مليمتر.. علماء النانو الصينيون يصنعون أليافا مقاومة للرصاص

نجح فريق من الباحثين في الصين في تطوير نوع جديد من الألياف فائقة القوة والمتانة قد يشكل نقلة نوعية في صناعة الدروع الواقية من الرصاص ومعدات الحماية المختلفة.

هذا الابتكار، يتميّز بكونه أرقّ وأكثر مرونة من المواد التقليدية وقد تفوق على "كيفلار" وهو الاسم التجاري لأحد أشهر أنواع الألياف الصناعية المستخدمة في صناعة الدروع منذ عقود، ويُعرف بصلابته ومقاومته العالية للقطع والاختراق.

يصنع كيفلار من ألياف الأراميد، وهي مجموعة من الألياف البوليمرية شديدة المتانة، والبوليمرات هي مادة تتكون من وحدات صغيرة متكررة متشابكة، ورغم قوة ألياف الأراميد الكبيرة فإن محاولة تعزيز صلابتها غالبا ما يجعلها أكثر هشاشة، مما يقلل قدرتها على امتصاص الطاقة الناتجة عن الصدمات عالية السرعة.

تحدّي القوة والمتانة

تعتمد الدروع الواقية في عملها على توزيع الطاقة التي تتعرض لها على شبكة الألياف المتصلة التي تتكون منها، ووفقا للباحثين، فإن القوة الديناميكية الفائقة والمتانة العالية عنصران حاسمان في المواد الليفية المخصّصة للحماية من الصدمات عالية السرعة، إذ إن تحسين خاصية منهما عادة ما يضعف الأخرى، ويعود ذلك إلى أن سلاسل البوليمر في الألياف يمكن أن تنزلق عند تعرّضها لقوة مفاجئة، مما يقلل من فعالية خصائصها الميكانيكية.

وللتغلب على هذا التحدي، اتبع الفريق نهجا جديدا يعتمد على تنظيم اتجاه الأنابيب الكربونية النانوية داخل الألياف، وقد شكلت هذه الخطوة الأساس العلمي لإنتاج نوع جديد من الألياف المركبة يتكون من مزيج من أراميد حلقية البنية وأنابيب كربونية نانوية طويلة، وقد نشرت نتائج هذه الدراسة في مجلة ماتير.

واعتمد الابتكار في البداية على تطوير المكونين الأساسين، حيث تم هندسة سلاسل الأراميد الحلقية بشكل يرفع من مرونتها، وفي المقابل تم تعديل الأنابيب الكربونية الطويلة بطريقة تجعلها تتوزع بشكل متجانس داخل المزيج.

من ثم تبدأ عملية السحب والتي من الممكن وصفها بعملية الغزل، وقد تمت على مرحلتين، في أولاها تسحب الألياف بشكل يجعل الأنابيب الكربونية الطويلة تصطف داخل الليف في اتجاه واحد، ومن ثم تتكرر عملية السحب وهذه المرة بوجود الحرارة، مما يجعل الأنابيب الكربونية تعمل عمل قنوات تقوم بتوجيه سلاسل الأراميد حولها.

ويشير الباحثون إلى أن هذا الاصطفاف المحكم يمنع الانزلاق الداخلي للمكوّنات عند تلقي صدمات عالية السرعة، مما يتيح استخدام كامل الطاقة الميكانيكية للمادة، كما أدّت عملية السحب متعدد المراحل إلى تحسين محاذاة السلاسل وتقليل المسامية، مما يعزّز التماسك الداخلي وقدرة المادة على نقل الأحمال.

مصدر الصورة

نتائج اختبارات باليستية متقدمة

بحسب الدراسة، تمكّن الباحثون من تصنيع ألياف مركبة من الأراميد والأنابيب الكربونية النانوية بقوة ديناميكية بلغت 10.3 غيغاباسكالات، ومتانة ديناميكية وصلت إلى 706.1 ميغاغولات لكل متر مكعب، وبسمك لا يتجاوز 1.8 مليمتر، وهذه القيم تتجاوز بكثير ما تحققه الألياف التقليدية بما فيها كيفلار بـ3 أضعاف.

وعند إخضاع الألياف الجديدة لاختبارات باليستية شبيهة بتلك المستخدمة في تقييم الدروع الواقية، أظهرت أداء أفضل من المواد المستخدمة حاليا، إذ إن تقليل المسامية وتحسين التفاعل بين المكوّنات الداخلية سمحا بتحقيق مقاومة عالية جدا للكسور والاختراق.

ولا تقتصر إمكانية استخدام هذا الابتكار على الدروع الواقية فحسب، بل قد يمتد إلى تطبيقات عديدة تشمل المعدات العسكرية الخفيفة، وتدريع المركبات، ومعدات الإطفاء والإنقاذ، إلى جانب إمكانية استخدامها في ملابس العاملين في البيئات الخطرة لتقديم الحماية المتقدمة، وكذلك في مجال الصناعات الفضائية والروبوتات.

ويؤكد الباحثون أن عملهم يوفر فهما جديدا لآليات تعزيز أداء الألياف البوليمرية، ويقدم مسارا واقعيا للاستفادة من القوة الكامنة والكاملة في سلاسل البوليمر، وبينما لا يزال أمام المادة الجديدة مراحل اعتماد وتجارب إضافية قبل وصولها إلى الاستخدام التجاري، فإن نتائج الدراسة تُظهر إمكانات كبيرة لتغيير المعايير الحالية في تقنيات الحماية، وربما فتح الباب أمام جيل جديد من الدروع الأخف وزنا والأكثر قدرة على مقاومة الرصاص والصدمات.