روش مبتنی بر لیزر می تواند به دانشمندان در کشف مواد مقاوم در برابر سوراخ شدن کمک کند

تاریخ انتشار : دوشنبه ۲۶ تیر ۱۳۹۲ – ۱۲:۰۲

محققان انتظار دارند روش شناسی آنها فرصت های جدیدی را برای بررسی رفتار مواد ایجاد کند.

محققان ابتدا از این روش برای تجزیه و تحلیل یک ماده نانوکامپوزیت معروف به کامپوزیت پلی‌متاکریلات نانوذرات پیوندی پلیمری (npPMA) استفاده کردند. این شامل نانوذرات سیلیکا است که می تواند در طیف وسیعی از کاربردها از جمله زره بدن مفید باشد. لیزر ریزپرتابه ها را با سرعت های 100 تا 400 متر بر ثانیه به سمت مواد مورد نظر می راند و تاثیر آنها را با استفاده از دوربین فیلمبرداری اندازه گیری می کند.

رویکرد ترکیبی استفاده از نتایج ادبیات، تجزیه و تحلیل ابعادی و LIPIT به محققان این امکان را داد تا نشان دهند که مقاومت در برابر سوراخ شدن یک ماده به حداکثر تنشی که یک ماده می‌تواند قبل از شکستن متحمل شود، مرتبط است، که استرس شکست نامیده می‌شود. این درک فعلی عملکرد بالستیک را به چالش می‌کشد، که معمولاً تصور می‌شود به نحوه عبور امواج فشار از مواد مرتبط است.

محققان با ترکیب اندازه‌گیری‌هایی که بر روی npPMA به‌دست‌آمده‌اند با تجزیه و تحلیل‌های ریاضی اضافی و در عین حال ترکیب داده‌های موجود روی مواد از ادبیات تحقیقاتی، نتایج آزمایش ریزپرتابه را با آنچه در ضربه‌های مقیاس بزرگ‌تر اتفاق می‌افتد، مرتبط کردند. از آنجایی که npPMA یک ماده جدید است و ساخت آن آسان نیست، آن ها تجزیه و تحلیل خود را گسترش دادند تا ترکیب رایج تری به نام پلی کربنات را نیز در بر گیرند که به طور گسترده به عنوان شیشه ای مقاوم در برابر گلوله استفاده می شود.

دومین رویکرد شبیه سازی دینامیک مولکولی (MD) نامیده می شود. این یک نوع شبیه سازی است که در مقیاس بسیار کوچکتر است و به رفتار در سطح مولکولی موادی مانند پلیمرها نگاه می کند. MD می تواند چگونگی تغییر شکل اجزای پلیمری مانند زنجیره های مولکولی را پس از برخورد پرتابه به مواد کشف کند.

بنابراین لطفاً مسدود کننده تبلیغات خود را برای سایت ما خاموش کنید.

در مورد مراحل بعدی، محققان چندین راه را دنبال می کنند. آنها قصد دارند مقاومت بالستیک مواد جدید اضافی را ارزیابی کنند و به انواع و پیکربندی های مختلف نگاه کنند. آنها همچنین اندازه ریزپرتابه ها را تغییر می دهند و دامنه سرعت آنها را گسترش می دهند.

قول ما: خلاصه کیفیت فقط تبلیغات ثابتی را نشان می دهد که هرگز محتوا را پوشش نمی دهد یا پوشان نمی دهد. آنها هرگز سر راه شما قرار نمی گیرند. آنها برای خواندن شما وجود دارند یا نه.


محققان NIST روشی را طراحی کردند که از یک لیزر با شدت بالا برای انفجار ریزپرتابه ها با سرعتی نزدیک به سرعت صوت در ماده مورد نظر استفاده می کند، در این مورد یک لایه پلیمری نازک نشان دهنده ماده مقاوم در برابر سوراخ شدن است. این آزمایش LIPIT نام دارد که مخفف آزمایش ضربه پرتابه ناشی از لیزر است. دانشمندان می توانند با ترکیب این آزمایش با روش های تجزیه و تحلیل و مقیاس بندی، مواد مقاوم در برابر سوراخ شدن جدید را کشف کنند. اعتبار: E. Chan/NIST

چان می‌گوید: «از آنجایی که ما توانایی دیدن مستقیم کارهایی که زنجیره‌های پلیمری انجام می‌دهند را نداریم، MD روشنگری است زیرا به ما ایده بهتری درباره اینکه چرا پلیمرهای خاص برای مقاومت در برابر ضربه بهتر هستند، می‌دهد.

با این رویکرد، می‌توانیم بپرسیم، چه چیزهای دیگری را در سیستم می‌توانیم تغییر دهیم، یا چگونه می‌توانیم یک ماده را برای برنامه‌های خاص بهبود دهیم؟ به جای تغییر ترکیب یک ماده، می توانید هندسه آن را تغییر دهید. یا می توانید یک ماده از طبیعت را مطالعه کنید و ببینید که چگونه رفتار می کند.

مقاله: کاترین ایوانز، شاون چن، آماندا سونا، استفان استرانیک، کریستوفر سولز و ادوین چان. “مقاومت مواد در برابر سوراخ شدن پرتابه: مقیاس بندی مقاومت ضربه لایه های نازک به مواد در مقیاس ماکرو. مواد و رابط های کاربردی ACS. انتشار آنلاین در 29 ژوئن 2023.

روش محققان می تواند به شناسایی مواد جدید برای بسیاری از کاربردها، مانند ساخت مواد افزودنی، حفاظت از فضاپیما، تجهیزات محافظ بهتر در برابر نیش حیوانات و حتی تحویل دارو کمک کند. محققان در حال توسعه تزریق‌های بدون سوزن هستند که در آن جریانی از مایع با سرعت بالا، به نام جت مایع، پوست را سوراخ می‌کند. در حالی که هدف بسیاری از برنامه ها جلوگیری از سوراخ شدن است، LIPIT می تواند در این مورد بینشی در مورد چگونگی نفوذ موثرتر به پوست با استفاده از جت های مایع به عنوان پرتابه ارائه دهد.

در طول آزمایشات آزمایشگاهی، سنتز مقادیر کمی از یک پلیمر جدید – به عنوان مثال، چند میلی گرم از ظروف شیشه ای به اندازه یک فنجان قهوه – می تواند تقریباً معمول باشد. چالش با افزایش مقیاس برای تولید کیلوگرم مواد برای آزمایش مقاومت در برابر سوراخ شدن آن است. برای موادی که از پلیمرهای مصنوعی جدید ساخته شده اند، پوسته شدن تا مقادیر کافی اغلب ممکن یا عملی نیست.

در طول این مطالعه، محققان از روش خود برای ارزیابی چندین ماده، از جمله یک ترکیب پرکاربرد برای شیشه‌های ضد گلوله، یک نانوکامپوزیت جدید و ماده قوی و تمام کربنی معروف به گرافن استفاده کردند.

محققان NIST همچنین به دنبال اتصال نتایج تجربی LIPIT به دو نوع شبیه سازی هستند. یکی آنالیز اجزای محدود (FEA) است که در آن شی مورد نظر به عنوان گروهی از قطعات ساده‌تر که به هم مرتبط هستند مدل‌سازی می‌شود. FEA به طور سنتی برای شبیه سازی تغییر شکل مکانیکی کل نمونه استفاده می شود. گاهی اوقات محققان می توانند شبیه سازی FEA را سریعتر از یک آزمایش آزمایشگاهی انجام دهند. ادوین چان، مهندس علم مواد NIST می‌گوید، با این حال، در پایان شبیه‌سازی باید با داده‌های تجربی در مورد مواد واقعی مطابقت داشته باشد.

با تشکر،
خلاصه کیفیت

منبع: https://www.qualitydigest.com/inside/innovation-article/laser-based-method-could-help-scientists-discover-puncture-resistant

کاترین ایوانز، شیمیدان NIST می گوید: «زمانی که در حال بررسی یک ماده جدید برای کاربردهای محافظتی آن هستید، نمی خواهید زمان، پول و انرژی را در مقیاس گذاری آزمایش های خود هدر دهید، اگر مواد از بین نرود. با روش جدید ما می‌توانیم زودتر ببینیم که آیا ارزش آن را دارد که ماده‌ای را برای خواص محافظتی آن بررسی کنیم.

آ گلوله‌ای که زره محافظ اولین واکنش‌دهنده را سوراخ می‌کند، چتر دریایی که یک شناگر را نیش می‌زند، ریزشهاب‌سنگ‌هایی که به ماهواره برخورد می‌کنند – پرتابه‌های پرسرعتی که مواد را سوراخ می‌کنند به اشکال مختلف ظاهر می‌شوند. هدف محققان به طور مداوم شناسایی مواد جدیدی است که بهتر می توانند در برابر این رویدادهای سوراخ با سرعت بالا مقاومت کنند. اما اتصال جزئیات میکروسکوپی یک ماده جدید امیدوارکننده به رفتار واقعی آن در موقعیت‌های دنیای واقعی دشوار بوده است.

رویکرد جدید می‌تواند محدودیت‌های مقاومت یک ماده یا میزان استرس و فشاری که می‌تواند تحمل کند، بدون نیاز به اندازه‌گیری مستقیم این ویژگی‌ها از قبل شناسایی کند، که می‌تواند به بهینه‌سازی مواد برای انتخاب در آزمایش‌ها کمک کند. سپس محققان را قادر ساخت تا موادی مانند گرافن را کاوش کنند که نشان داد چندین لایه لایه از این ماده را می توان در کاربردهای مقاومت در برابر ضربه مشابه پلیمرهای با کارایی بالا مورد استفاده قرار داد.


LIPIT از ریزپرتابه های ریز پرتاب شده با لیزر استفاده می کند که لایه نازکی از فیلم پلیمری را هدف قرار می دهند. اعتبار: E. Chan/NIST، اصلاح شده توسط B. Hayes/NIST

اولین بار در تاریخ 3 ژوئیه 2023 منتشر شد اخبار NIST.