211service.com
Enkelt trick förvandlar kommersiell polymer till världens tuffaste fiber
Inom materialvetenskap är seghet ett mått på hur mycket energi ett material kan absorbera innan det går sönder. Kevlar, till exempel, kan absorbera cirka 80 joule per gram innan det går sönder, men detta övervägs av vissa naturliga material som är mycket segare. Silket som produceras av den gigantiska flodklotspindeln kan till exempel absorbera cirka 390 joule per gram innan det går sönder.
Så det finns ett stort intresse för att hitta nya material som kan matcha eller slå prestandan hos naturliga material för applikationer som kräver höga nivåer av energiabsorption.
Idag avslöjar Nicola Pugno vid universitetet i Trento i Italien ett anmärkningsvärt enkelt knep som dramatiskt ökar segheten hos nästan alla typer av fibrer. Pugno säger faktiskt att han har använt tekniken för att skapa världens tuffaste fiber.
Den nya idén är bedrägligt enkel - den innebär inte mer än att knyta en slipknut i fibern, vilket skapar en ögla av extra fiber som kan passera genom knuten när den kommer under spänning.
Mekanismen är enkel. När fibern sätts i spänning börjar glidknuten att dras åt och det extra materialet passerar genom knuten och avleder energi genom friktion.
Naturligtvis går fibern så småningom sönder men först efter att allt material i slingan har passerat genom glidknuten.
Detta gör uppenbarligen inte materialet starkare (seghet och styrka är olika egenskaper som i allmänhet är okorrelerade). Det är dock inte svårt att se hur energiförlusten dramatiskt skulle öka mängden energi som fibern absorberar innan den går sönder, och därmed öka dess seghet.
Pugno säger att han har testat idén på ett antal material med olika antal öglor och slipknutar. Det bästa resultatet kommer från att använda tre slipknutar, säger han.
Genom att tillämpa detta enkla knep på en kommersiell polymerfiber som heter Endumax, har han ökat dess seghet från 44 joule per gram till anmärkningsvärda 1070 joule per gram. Det är det högsta värdet som någonsin registrerats. proof of concept är experimentellt realiserat och gör världens tuffaste fiber, säger han.
Det är till och med bättre än fibrer gjorda av nanorör som materialforskare precis har börjat tillverka. Den starkaste av dessa, gjord av kolnanorör, har en seghet på 970 Joule per gram.
Pugno säger att hans arbete bara är början och att det borde vara möjligt att använda hans slip-knot-teknik för att göra grafenfibrer med en seghet på 100 000 joule per gram.
Det finns utmaningar framför oss, förstås. Helst bör kraften som krävs för att passera fibern genom knuten vara strax under materialets brottpunkt och detta beror på faktorer som knuttopologin. Valet av knut har ett viktigt inflytande på materialets beteende och ytterligare arbete här kan leda till nya mönster. Pugno säger att han för närvarande patenterar sin slip-knot-design och har därför inte publicerat den ännu.
De potentiella tillämpningarna av denna idé är många. Tuffare material skulle uppenbarligen kunna användas i områden där energiabsorption är viktigt, som till exempel tillverkning av kroppsskydd.
Det är en effektiv och billig idé som har stor potential. Det är också utomordentligt enkelt, vilket bara kan vara anledningen till att det har förbisetts fram till nu.
Ref: arxiv.org/abs/1304.6658 : Ägget från Columbus för att göra världens tuffaste fibrer