Desde la Primera Guerra Mundial, la gran mayoría de las víctimas de combate estadounidenses no provienen de heridas de bala sino de explosiones. Hoy en día, la mayoría de los soldados usan un chaleco pesado a prueba de balas para proteger su torso, pero gran parte de su cuerpo permanece expuesto a la indiscriminadapuntería de fragmentos explosivos y metralla.
Diseñar equipos para proteger las extremidades contra las temperaturas extremas y los proyectiles mortales que acompañan a una explosión ha sido difícil debido a una propiedad fundamental de los materiales. Los materiales que son lo suficientemente fuertes como para proteger contra las amenazas balísticas no pueden proteger contra las temperaturas extremas y viceversa.Como resultado, gran parte del equipo de protección actual está compuesto por múltiples capas de diferentes materiales, lo que lleva a un equipo pesado y voluminoso que, si se usa en los brazos y las piernas, limitaría severamente la movilidad de un soldado.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Harvard, en colaboración con el Centro de Soldados de Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los EE. UU. CCDC SC y West Point, han desarrollado un material de nanofibras liviano y multifuncional que puede proteger a los usuarios de temperaturas extremas y amenazas balísticas.
La investigación se publica en la revista materia .
"Cuando estaba en combate en Afganistán, vi de primera mano cómo la armadura corporal podía salvar vidas", dijo el autor principal Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada de la familia Tarr en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de HarvardSEAS y un teniente coronel en la Reserva del Ejército de los Estados Unidos. "También vi cómo la armadura pesada podría limitar la movilidad. Como soldados en el campo de batalla, las tres tareas principales son moverse, disparar y comunicarse. Si limitas una deesos, disminuye la capacidad de supervivencia y pone en peligro el éxito de la misión "
"Nuestro objetivo era diseñar un material multifuncional que pudiera proteger a alguien que trabaja en un entorno extremo, como un astronauta, bombero o soldado, de las diferentes amenazas que enfrentan", dijo Grant M. González, becario postdoctoral en SEASy primer autor del artículo.
Para lograr este objetivo práctico, los investigadores necesitaban explorar la compensación entre la protección mecánica y el aislamiento térmico, propiedades enraizadas en la estructura y orientación molecular de un material.
Los materiales con fuerte protección mecánica, como los metales y las cerámicas, tienen una estructura molecular altamente ordenada y alineada. Esta estructura les permite resistir y distribuir la energía de un golpe directo. Los materiales aislantes, por otro lado, tienen mucho menosestructura ordenada, que impide la transmisión de calor a través del material.
Kevlar y Twaron son productos comerciales utilizados ampliamente en equipos de protección y pueden proporcionar protección balística o térmica, dependiendo de cómo se fabriquen. El Kevlar tejido, por ejemplo, tiene una estructura cristalina altamente alineada y se usa en chalecos antibalas protectores.Los aerogeles de Kevlar, por otro lado, han demostrado tener un alto aislamiento térmico.
"Nuestra idea era utilizar este polímero de Kevlar para combinar la estructura tejida y ordenada de las fibras con la porosidad de los aerogeles para hacer fibras largas y continuas con espaciamiento poroso en el medio", dijo González. "En este sistema, las fibras largas podríanresistir un impacto mecánico mientras que los poros limitarían la difusión del calor "
El equipo de investigación usó el Rotary Jet-Spinning de inmersión iRJS, una técnica desarrollada por el Grupo de Biofísica de la Enfermedad de Parker, para fabricar las fibras. En esta técnica, una solución de polímero líquido se carga en un depósito y se empuja a través de una pequeña aberturafuerza centrífuga a medida que el dispositivo gira. Cuando la solución de polímero sale disparada del depósito, primero pasa a través de un área al aire libre, donde los polímeros se alargan y las cadenas se alinean. Luego, la solución golpea un baño líquido que elimina el solvente y precipita elpolímeros para formar fibras sólidas. Dado que el baño también está girando, como el agua en una ensalada giratoria, las nanofibras siguen la corriente del vórtice y se envuelven alrededor de un colector giratorio en la base del dispositivo.
Al ajustar la viscosidad de la solución de polímero líquido, los investigadores pudieron hacer girar nanofibras largas y alineadas en láminas porosas, proporcionando suficiente orden para proteger contra proyectiles pero suficiente desorden para proteger contra el calor. En aproximadamente 10 minutos, el equipo pudogire las hojas de aproximadamente 10 por 30 centímetros de tamaño.
Para probar las hojas, el equipo de Harvard recurrió a sus colaboradores para realizar pruebas balísticas. Los investigadores de CCDC SC en Natick, Massachusetts simularon el impacto de la metralla disparando grandes proyectiles similares a BB a la muestra. El equipo realizó pruebas al intercalar la nanofibrahojas entre hojas de Twaron tejidas. Observaron poca diferencia en la protección entre una pila de todas las hojas de Twaron tejidas y una pila combinada de Twaron tejidas y nanofibras hiladas.
"Las capacidades del CCDC SC nos permiten cuantificar los éxitos de nuestras fibras desde la perspectiva del equipo de protección para los combatientes, específicamente", dijo González.
"Las colaboraciones académicas, especialmente aquellas con universidades locales distinguidas como Harvard, brindan a CCDC SC la oportunidad de aprovechar la experiencia y las instalaciones de vanguardia para aumentar nuestras propias capacidades de I + D", dijo Kathleen Swana, investigadora de CCDC SC y una de lasautores del artículo: "CCDC SC, a cambio, proporciona valiosa experiencia científica y centrada en el soldado y capacidades de prueba para ayudar a impulsar la investigación".
En las pruebas de protección térmica, los investigadores descubrieron que las nanofibras proporcionaban 20 veces la capacidad de aislamiento térmico de los Twaron y Kevlar comerciales.
"Si bien se pueden realizar mejoras, hemos superado los límites de lo que es posible y hemos comenzado a mover el campo hacia este tipo de material multifuncional", dijo González.
"Hemos demostrado que puede desarrollar textiles altamente protectores para las personas que trabajan en peligro", dijo Parker. "Nuestro desafío ahora es evolucionar los avances científicos a productos innovadores para mis hermanos y hermanas en armas".
La Oficina de Desarrollo de Tecnología de Harvard ha presentado una solicitud de patente para la tecnología y está buscando activamente oportunidades de comercialización.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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