Na počátku výzkumu tohoto podivuhodného materiálu byly vysněné teoretické tubulany. Ty se vynořily v představách materiálových vědců v roce 1993, jako složité struktury z propletených uhlíkových nanotrubiček. Podle výpočtů měly být tubulany mimořádně pevné, ale jejich struktura byla tak komplikovaná, že vědci nedokázali vyvinout praktickou metodu jejich výroby. Až doteď.
Tak jako v řadě podobných případů, zásadní zvrat přinesl rozmach 3D tisku. Právě díky němu materiáloví vědci nakonec tubulanům vdechli život. Z teoretického materiálu se stala velice reálná záležitost. Seyed Mohammad Sajadi z americké Rice University a jeho spolupracovníci vytvořili 3D tištěné kostky polymeru ve složitě uspořádaných vrstvách. I když tyhle kostky na pohled plné děr, tak jsou ve skutečnosti skoro tak tvrdé jako diamant a zastavují vystřelené kulky jako nic.
Jak říká Sajadi, v současnosti známe celou řadu skvělých teoretických materiálů, které zatím lidé ve skutečném světě nedokázali syntetizovat. S pomocí 3D tisku je to teď možné změnit, alespoň u některých teoretických systémů. Badatelé Rice University vzali teorii o tubulanech, nakrmili s ní počítačové simulace materiálů a jejich výsledky pak vytiskli na 3D tiskárně.
Vytvořené 3D tištěné polymerové kostky následně důkladně otestovali, společně s kostkami ze stejného polymeru v podobě homogenní hmoty. Stříleli do nich kulky o rychlosti 5,8 kilometru za sekundu. 3D tištěné kostky s vrstevnatou strukturou odolávaly těmto střelám 10 krát účinněji nežli homogenní kostky polymeru. Zastavily kulky již ve druhé vrstvě od povrchu kostky, zatímco v homogenní kostce se po zásahu kulkou šířily trhliny napříč celou kostkou. Stejně dobře si 3D tištěné kostky polymeru vedly při testech se stlačováním.
Sajadi zdůrazňuje, že velikost tubulany inspirovaných struktur je v současné době omezená prakticky jenom velikostí tištěného objektu na příslušné 3D tiskárně. Stejně tak podle něj nemusí jít jen o objekty z polymeru. Rozmanité uplatnění by si mohly nalézt verze takového materiálu z kovu nebo třeba keramiky. Sajadiho tým teď pracuje na dalších vylepšeních designu materiálu a jeho využití, například ve stavebnictví, letectví a kosmických technologiích anebo v ropném průmyslu.
Video: Theoretical tubulanes inspire ultra hard polymers
Literatura
Rice University 13. 11. 2019, Small online 11. 11. 2019.
Nový 3D tištěný metamateriál se po zahřátí smrskne
Autor: Stanislav Mihulka (28.10.2016)
Grafenový pancíř je pro kulky tvrdší než diamant
Autor: Stanislav Mihulka (26.12.2017)
Jaderné „těsto“ z neutronových hvězd je 10-miliardkrát pevnější než ocel
Autor: Stanislav Mihulka (19.09.2018)
Diskuze:
Polymer tvrdy ako diamant?
Radoslav Porizek,2019-11-26 22:03:21
"I když tyhle kostky na pohled plné děr, tak jsou ve skutečnosti skoro tak tvrdé jako diamant a zastavují vystřelené kulky jako nic."
Takze ako konkretne su tvrde?
Pretoze na rozdiel od odolnosti voci narazom tvrdost materialu je urcena pevnostou vazieb medzi atomami,ktora v pripade "skoro diamantu" musi byt kovaletna.
Z clanku nie je jasne, aka je skala struktury, ktoru 3D tlaciarni: je rozlisenie na urovni milimetrov, mikrometrov, alebo dokonca atomov?
Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Florian Stanislav,2019-11-26 23:13:02
Tvrdost a pevnost (v tahu nebo proti průrazu) jsou různé věci.
Diamant je křehký a dá se štípat.
https://www.eppi.cz/napoveda/diamanty/4c/vybrus-cut/proces-brouseni-a-lesteni-diamantu
"Následně brusič vytvoří drobný zářez, na který použije štěpicí nástroj se zaobleným ocelovým ostřím. Silným úderem pak oddělí vybranou část diamantu."
https://cs.wikipedia.org/wiki/Uhl%C3%ADkov%C3%A1_nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice mohou dosáhnout pevnosti kolem 1 TPa (200 x vyšší než molekuly oceli ve stejné velikosti).
článek píše :"..tubulany. Ty se vynořily v představách materiálových vědců v roce 1993, jako složité struktury z propletených uhlíkových nanotrubiček."
Re: Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Radoslav Porizek,2019-11-27 22:09:28
No ale ved to som napisal aj ja (pre istotu som este raz precital svoj prispevok): tvrdost a pevnost su odlisne veci.
Samozrejme, ze diamant je krehky.
Cesky preklad nanotrubic nie je najlepsi: nanotrubice maju najvacsiu pevnost v tahu (v specifickom smere) a mernu pevnost, ale nie vseobecnu pevnost, ktora je len niekolko GPa. A udaj 1 TPa je uz v anglickej verzii radovo mensi: maximalny odhad je okolo 100 GPa.
Ale to nie je dolezite, pretoze v clanku sa pise o INSPIRACII nanotrubicami. Tubulanty su odlisne struktury s odlisnymi mechanickymi vlastnostami, 3D tiskarna netiskne po atomoch!
Tak a ked sme si vyjasnili zakladne veci, zopakujem svoju pochybnost: ak by slo skutocne o polymery (retazce monomerov), tak by to IMHO nemohlo dosahovat tvrdost podobnu diamantu, pretoze medzi monomermi nemoze byt plna kovaletna vazba. Na druhej strane tvrdost nie je az tak dobre fyzikalne zadefinovana velicina, takze je mozne, ze urcity vyklad tvrdosti sa mozno priblizuje k diamantu.
Re: Re: Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Florian Stanislav,2019-11-28 00:30:54
Píšete :"pretoze medzi monomermi nemoze byt plna kovaletna vazba."
Vazba kovalentní je definována při rozdílu elektronegativit atomů vazby menší než O,4.
V diamantu jsou vazby kovalentní, také v uhlíkových nanotubicích a také v polymerech typu PE -CH2-CH2-.....
Pevnost vazeb závisí na čistotě látek a je dána množstvím poruch.
Re: Re: Re: Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Radoslav Porizek,2019-11-29 20:16:21
S plnou kovaletnou vazbou som sa zle vyjdaril.
Ide o to, ze je rozdiel ci je atom pridrzovany len jednym dalsim atomom na konci polymerovej retaze, alebo 6-timi, pokial je v krystale.
Skusme to z druhej strany - viete uviest aspon jeden taky polymer, ktoreho tvrdost by sa priblizovala tvrdosti diamantu?
Re: Re: Re: Re: Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Florian Stanislav,2019-11-29 21:39:59
Opět nejde o tvrdost, ale o pevnost (proti průrazu, tedy v tlaku a v tahu).
Uhlík kovalentní je čtyřvazný (méně často dvojmocný jako v CO). Uhlík se tedy váže 4 vazbami ( diamant, grafit i grafen). Grafen je supertenká forma uhlíku strukturou podobná grafitu, představující po karbynu NEJPEVNĚJŠÍ známý materiál na světě. A má kovalentní vazby v jedné rovině. Prostě chybí daleko od sebe vzdálené vrstvy, které kloužou po sobě jako u grafitu.
Uhlík se tedy neváže Vámi uvedenými 6 vazbami.
Také u neprůstřelných vest jde o pevnost. Lze je probodnout (rozříznout) nožem. Kevlar má i jednoduché vazby C-C , dále aromatická jádra a vazby typu polyamidu s jednoduchou vazbou s dusíkem
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Kevlar_chemical_structure.png/1280px-Kevlar_chemical_structure.png
Fotografie v článku ukazuje průstřel s potrhanými zkříženými vrstvami vláken nikterak mikroskopického rozměru, což na 3D tiskárně se podařilo vytisknout.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Polymer tvrdy ako diamant?
Radoslav Porizek,2019-12-02 00:06:37
Opet nejde o pevnost ale o tvrdost.
V clanku sa tvrdi, ze polymer je tvrdy skoro ako diamant.
A to je to, co ja od uplneho zaciatku napadam.
Inac odolnost voci prierazu nie je zdaleka urcena len pevnostou v tahu a tlaku, je to podstatne komplikovanejsie, zavisi to od mnohych dalsich faktorov - a prave preto toto clanku "verim", napadam iba udajnu tvrdost diamantu.
Grafen je teoreticka 2D struktura, nie realny 3D material. Bavime sa o tvrdosti realnych 3D materialov a moje tvrdenie je, ze polymery nemozu byt skoro tak tvrde ako diamant.
Tak kulky zastaví kde co...
Pavel Riedl,2019-11-26 13:06:46
...ale s projektily, to je úplně jiná liga ;-)
rychlost střely 5,8 km/s ?
Florian Stanislav,2019-11-26 09:19:22
Zdroj
https://news.rice.edu/2019/11/13/theoretical-tubulanes-inspire-ultrahard-polymers-2/
uvádí rovněž rychlost střely 5,8 km/s.
Zdá se to moc, když rychlost projektilu protitankového kanonu je (až) 1800 m/s.
Chápal bych, že rychlost je 5 800 km/h = 1 611 m/s.
Re: rychlost střely 5,8 km/s ?
Florian Stanislav,2019-11-26 09:41:46
Možná jde o kumulativní nálož a rychlost 5,8 km/s odpovídá rychlosti expandovaného plynu, nikoli projektilu.
Re: rychlost střely 5,8 km/s ?
Honza Šimek,2019-11-26 11:00:03
Našel jsem starší materiálové výzkumy z téže George R. Brown School of Engineering.
https://www.nature.com/articles/ncomms2166#close
http://news.rice.edu/2014/12/01/microbullet-hits-confirm-graphenes-strength-2/
Používají vlastní technologii laser-induced projectile impact test (LIPIT) - princip je popsaný v příspěvku v Nature. Tam se uvádí rychlost do 4 km/s, ale za sedm let od publikace je pravděpodobné, že výkon dokázali zvýšit a technologii znovu použít i tady. Projektil je kulička z oxidu křemičitého o průměru 3,7 mikronu.
Re: Re: rychlost střely 5,8 km/s ?
Honza Šimek,2019-11-26 13:14:33
Ignorujte mě. Vůbec mi nedošlo, že měřítko nesedí. Pan Kameník má pravdu. Na Rice mají dvoustupňový light gas gun.
Re: rychlost střely 5,8 km/s ?
Jaroslav Kameník,2019-11-26 11:01:26
https://en.wikipedia.org/wiki/Light-gas_gun
Re: rychlost střely 5,8 km/s ?
Vojtěch Kocián,2019-11-26 13:57:16
Asi to není primárně určené pro armádu ale jako ochrana vesmírných sond a stanic. Tam takto vysoké rychlosti dávají smysl a dávaly by i větší. Testovali to samozřejmě něčím takovým, jak psal pan Kameník.
Označit takový projektil slovem kulka mi nepřijde úplně šťastné. V obecné řeči se to používá pro střely z pistolí a pušek (a někteří puristé nadskakují i v takovém případě), ale s těmi má laboratorní plynové dělo pramálo společného.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
