Nanofibras para proteger contra explosiones
Desde la Primera Guerra Mundial, la gran mayoría de las bajas por combate no provienen de heridas de bala sino de explosiones. Hoy en día, la mayoría de los soldados en países avanzados llevan un pesado chaleco antibalas para proteger su torso, pero gran parte de su cuerpo permanece expuesto al alcance indiscriminado de fragmentos explosivos y metralla.
El diseño de 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 para protegerse contra las amenazas balísticas no pueden protegerse 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 da lugar a un equipo voluminoso y pesado que, si se llevara en los brazos y las piernas, limitaría seriamente la movilidad de un soldado.
Ahora, unos investigadores de la Universidad de Harvard, en colaboración con el Centro de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los Estados Unidos (CCDC SC) y West Point, han desarrollado un material de nanofibras ligero y multifuncional que puede proteger a los usuarios tanto de las temperaturas extremas como de las amenazas balísticas.
La investigación se publicó en la revista Matter.
«Cuando estuve combatiendo en Afganistán, vi de primera mano cómo los chalecos antibalas podían salvar vidas», dijo el autor principal Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada en la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard y teniente coronel en la Reserva del Ejército de los Estados Unidos. «También vi cómo tan pesada armadura corporal podía limitar la movilidad. Como soldados en el campo de batalla, las tres tareas principales son moverse, disparar y comunicarse. Si limitas una de ellas, disminuyes la capacidad de supervivencia y pones 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 muchas y diferentes amenazas a las que se enfrentan», dijo Grant M. Gonzalez, becario postdoctoral en SEAS y primer autor del artículo.
Para lograr este objetivo práctico, los investigadores necesitaban explorar el equilibrio entre la protección mecánica y el aislamiento térmico, propiedades arraigadas en la estructura y orientación molecular de un material.
Los materiales con una fuerte protección mecánica, como los metales y la cerámica, tienen una estructura molecular muy ordenada y alineada. Esta estructura les permite soportar y distribuir la energía de un golpe directo. Los materiales aislantes, por otro lado, tienen una estructura mucho menos ordenada, lo que impide la transmisión de calor a través del material.
El Kevlar y el Twaron son productos comerciales que se utilizan ampliamente en los 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 utiliza en chalecos protectores antibalas. Los aerogeles porosos de Kevlar, por otro lado, han demostrado tener un alto aislamiento térmico.
«Nuestra idea era usar 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 espacios porosos entre ellas», dijo González. «En este sistema, las fibras largas podrían resistir un impacto mecánico mientras que los poros limitarían la difusión del calor».
El equipo de investigación utilizó el sistema iRJS (immersion Rotary Jet-Spinning), 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 hacia fuera a través de una pequeña abertura por la fuerza centrífuga mientras 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. Entonces la solución llega a un baño líquido que elimina el disolvente y precipita los polímeros para formar fibras sólidas. Como el baño también está girando, tal como ocurre con el agua en una centrifugadora de ensaladas, 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 dar a las largas y alineadas nanofibras la forma de láminas porosas, proporcionando suficiente orden para protegerse de los proyectiles pero suficiente desorden para protegerse del calor. En unos 10 minutos, el equipo pudo producir láminas de unos 10 por 30 centímetros de tamaño.
Para probarlas, el equipo de Harvard recurrió a sus colaboradores para realizar pruebas balísticas. Los investigadores del CCDC SC en Natick, Massachusetts simularon el impacto de metralla disparando grandes proyectiles de tipo BB contra la muestra. El equipo realizó las pruebas intercalando láminas de nanofibras con láminas de tejido de Twaron. Observaron poca diferencia en la protección entre una pila de láminas de Twaron tejidas y una pila combinada de láminas de Twaron tejidas y nanofibras hiladas.
En las pruebas de protección térmica, los investigadores encontraron que las nanofibras proporcionaban 20 veces más capacidad de aislamiento térmico que el Twaron y el Kevlar comerciales.
«Si bien hay mejoras que podrían hacerse, hemos ampliado los límites de lo que es posible y hemos comenzado a desplazar el campo hacia este tipo de material multifuncional», dijo González.
«Hemos demostrado que se pueden desarrollar tejidos de alta protección para personas que trabajan en condiciones de riesgo», dijo Parker. (Fuente: NCYT Amazings)
