Desde la Primera Guerra Mundial, la mayoría de las lesiones no eran por balas y sí por explosiones. Hoy, a mayoría de los soldados usan chaleco antibalas. Sin embargo, una gran parte del cuerpo aún permanece expuesta a los posibles fragmentos y metralla explosiva.
Ha sido muy
difícil proyectar algo que proteja contra temperaturas extremas, y que aún se
proyecte para proyectiles que puedan causar explosiones, eso pasa por causa de
una propiedad fundamental de los materiales. Por lo tanto, gran parte de los
chalecos son compuestos por varias capas de materiales diferentes, llevando a
que los chalecos sean pesados y voluminosos que, si se usan en los brazos en
los brazos y piernas, limitarían severamente la movilidad de un soldado.
Investigadores
de la Universidad de Harvard en colaboración con el Centro de Soldados del
Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de los Estados
Unidos de América (CCDC SC) y West Point, desarrollaron un material leve y
multifuncional de nanofibras que puede proteger los soldados de temperaturas
extremas y amenazas balísticas.
“Cuando yo
estaba en combate en Afganistán, vi como un chaleco podría salvar vidas”, dice
Kit Parker, profesor de Bioingeniería y Física aplicada en la Escuela de Ingeniería
y Ciencias Aplicadas Jhon A. Paulson de Harvard (SEAS). “También vi cuanto los
chalecos pesados podrían limitar la movilidad. Como soldados en el campo de
batalla, las tres tareas principales son mover, disparar y comunicarse. Si
usted limita una de ellas, disminuye la capacidad de sobrevivencia y coloca en
riesgo el éxito de la misión”.
“Nuestro
objetivo era proyectar un material multifuncional que pudiese proteger a
alguien que trabaja en un ambiente extremo, como un astronauta, bombero o
soldado, de las diversas amenazas que enfrentan”, dice Grant M. Gonzalez, que
tiene un posdoctorado en el SEAS y fue el primer autor del artículo. Para
llegar a ese objetivo, los investigadores necesitaron explorar la relación
entre protección mecánica y aislamiento térmico, que son propiedades de la
estructura y de la orientación molecular de un material.
Materiales con
fuerte protección mecánica, como metales y cerámicas, poseen una estructura
molecular altamente ordenada y alineada. Esa estructura permite soportar y
distribuís la energía de un golpe directo. Los materiales aislantes, por otro
lado, tienen una estructura menos ordenada, lo que impide la transmisión de
calor a través del material.
Kevlar y Twaron
son productos comercialmente usados en equipamientos de protección y pueden
proporcionar protección balística o térmica, dependiendo de cómo son
fabricados. El tejido del Kevlar, por ejemplo,
posee una estructura cristalina altamente alineada y es usado en chalecos
antibalas. Los aerogeles de Kevlar porosos, por otro lado, demostraron tener
alto aislamiento térmico.
“Nuestra idea
era usar el Kevlar para combinar la estructura ordenada de fibras de tejidos
con la porosidad de los aerogeles para crear fibras alargadas y continuas con
espaciamiento poroso en el medio”, dice Gonzalez. “En ese sistema, las fibras
largas puedes resistir a un impacto mecánico, mientras los poros limitan la difusión
de calor”.
El equipo de
investigación utilizo la técnica de immersion
Rotary Jet-Spinning (iRJS) para fabricar las fibras. En esta técnica, una
solución del polímero liquido es la carga en un reservatorio y empujada por una
pequeña abertura. Cuando la solución del polímero dispara para fuera del
reservatorio, ella primero pasa por un área al aire libre, donde los polímeros
se alargan y las cadenas poliméricas se alinean. En seguida, la solución pasa
por un baño líquido que retira el solvente y precipita los polímeros para
formar fibras sólidas, A justando la viscosidad de a solución de polímero, los
investigadores consiguieron transformar las nanofibras largas y alineadas en
hojas porosas, proporcionando orden suficiente para proteger contra proyectiles,
pero desorden suficiente para proteger contra el calor.
Para probar las
hojas, el equipo de Harvard buscó a sus colaboradores para realizar pruebas
balísticas. Fue simulado el impacto de las metrallas disparando grandes
proyectiles en la muestra. El equipo realizó pruebas prensando las hojas de
nanofibras entre hojas de tejido de Twaron. Ellos observaron poca diferencia en
la protección entre una pila de hojas del tejido de Twaron y una pila combinada
de tejido de Twaron y nanofibras.
“Las
colaboraciones académicas, especialmente las de las universidades como Harvard,
ofrecen al CCDC SC una oportunidad de aprovechar la experiencia y las
instalaciones de punta para aumentar nuestras propias capacidades de
investigación y desenvolvimiento”, dice Kathleen Swana, investigadora del CCDC
SC y una de las autoras del artículo.
En pruebas de
protección térmica, los investigadores descubrieron que las nanofibras
proporcionan 20 veces la capacidad de aislamiento térmico de los Twarin y
Kevlar comerciales.
“Mostramos que
es posible desarrollar textiles altamente protectores para personas que
trabajan en las fuerzas armadas”, dice Parker. “Nuestro desafío ahora es
evolucionar los avances científicos en productos innovadores para mis hermanos
y hermanas de las fuerzas armadas”.
El Departamento
de Desarrollo Tecnológico de Harvard entró con un pedido de patente para la
tecnología y está buscando activamente oportunidades de comercialización.
La investigación
está publicada en la revista Matter.
Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Multifunctional nanofiber protects against explosions. Phys.org, 29 de junho, 2020: DOI: 10.1016/j.matt.2020.06.001
