211service.com
Eenvoudige truc verandert commercieel polymeer in de zwaarste vezel ter wereld
In de materiaalkunde is taaiheid een maat voor de hoeveelheid energie die een materiaal kan absorberen voordat het breekt. Kevlar kan bijvoorbeeld zo'n 80 joule per gram absorberen voordat het breekt, maar dit valt in het niet bij bepaalde natuurlijke materialen die veel taaier zijn. De zijde die wordt geproduceerd door de gigantische rivierspin, kan bijvoorbeeld ongeveer 390 joule per gram absorberen voordat het breekt.
Er is dus grote belangstelling voor het vinden van nieuwe materialen die de prestaties van natuurlijke materialen kunnen evenaren of overtreffen voor toepassingen die een hoge mate van energieabsorptie vereisen.
Vandaag onthult Nicola Pugno van de Universiteit van Trento in Italië een opmerkelijk eenvoudige truc die de taaiheid van bijna elke soort vezel dramatisch verhoogt. Pugno zegt inderdaad dat hij de techniek heeft gebruikt om 's werelds sterkste vezel te maken.
Het nieuwe idee is bedrieglijk eenvoudig: het houdt niet meer in dan een schuifknoop in de vezel te leggen, waardoor een lus van extra vezels ontstaat die door de knoop kan gaan als deze onder spanning komt te staan.
Het mechanisme is eenvoudig. Wanneer de vezel onder spanning wordt geplaatst, begint de slipknoop strakker te worden en gaat het extra materiaal door de knoop, waardoor energie door wrijving wordt afgevoerd.
Natuurlijk breekt de vezel uiteindelijk, maar pas nadat al het materiaal in de lus door de schuifknoop is gegaan.
Dit maakt het materiaal duidelijk niet sterker (taaiheid en sterkte zijn verschillende eigenschappen die over het algemeen niet gecorreleerd zijn). Het is echter niet moeilijk in te zien hoe de energiedissipatie de hoeveelheid energie die de vezel absorbeert voordat deze breekt dramatisch zou verhogen, waardoor de taaiheid ervan toeneemt.
Pugno zegt dat hij het idee heeft getest op een aantal materialen met verschillende aantallen lussen en schuifknopen. De beste resultaten komen van het gebruik van drie slipknopen, zegt hij.
Door deze eenvoudige truc toe te passen op een commerciële polymeervezel genaamd Endumax, heeft hij de taaiheid verhoogd van 44 joule per gram tot een opmerkelijke 1070 joule per gram. Dat is de hoogste waarde ooit gemeten. Het proof of concept is experimenteel gerealiseerd door de sterkste vezel ter wereld te maken, zegt hij.
Dat is zelfs beter dan vezels gemaakt van nanobuisjes die materiaalwetenschappers net beginnen te maken. De sterkste hiervan, gemaakt van koolstofnanobuisjes, heeft een taaiheid van 970 joule per gram.
Pugno zegt dat zijn werk nog maar het begin is en dat het mogelijk moet zijn om met zijn slip-knot-techniek grafeenvezels te maken met een taaiheid van 100.000 joule per gram.
Natuurlijk liggen er uitdagingen in het verschiet. Idealiter zou de kracht die nodig is om de vezel door de knoop te halen net onder het breekpunt van het materiaal moeten zijn en dit hangt af van factoren zoals de knooptopologie. De keuze van de knoop heeft een belangrijke invloed op het gedrag van het materiaal en verder werk hier zou kunnen leiden tot nieuwe ontwerpen. Pugno zegt dat hij momenteel zijn slip-knot-ontwerp patenteert en het dus nog niet heeft gepubliceerd.
De mogelijke toepassingen van dit idee zijn talrijk. In gebieden waar energieabsorptie belangrijk is, zoals bij de vervaardiging van kogelvrije vesten, zouden uiteraard hardere materialen kunnen worden gebruikt.
Dat is een effectief en goedkoop idee met een aanzienlijk potentieel. Het is ook buitengewoon eenvoudig, wat misschien de reden is dat het tot nu toe over het hoofd is gezien.
Referentie: arxiv.org/abs/1304.6658 : Het ei van Columbus voor het maken van 's werelds zwaarste vezels