Нов революционен ударопоглъщащ материал може да спре свръхзвуков удар

Революционен ударопоглъщащ материал, който може да спре свръхзвукови удари, е разработен от екип изследователи от университета в Кент.

Очаква се материалът да намери многобройни практически приложения, например в разработването на различни компоненти в областта на отбраната нато броня следващо поколение, устойчива на куршуми, и в космическите изследвания за обвивка на апарати, защитаващи ги от микрометеорити.

Екипът, ръководен от професорите Бен Гоулт и Джен Хискок, е разработил нова фамилия от материали, базирана на протеини, наречена TSAM (Talin Shock Absorbing Materials), която е „първият известен пример за материал SynBio (или синтетична биология), способен да абсорбира свръхзвукови удари от снаряди“, се казва в съобщението на университета.

"Работата ни върху протеина талин, който е естественият амортисьор на клетките, показа, че тази молекула съдържа серия от бинарни превключващи домени, които се отварят при напрежение и се свиват отново, когато напрежението спадне. Тази реакция на силата придава на талина молекулярните му амортизиращи свойства, като предпазва клетките ни от ефектите на големи промени в силата. Когато полимеризирахме талина в ТСАМ, открихме, че шокопоглъщащите свойства на талиновите мономери придават на материала невероятни свойства", обяснява професор Бен Гулт.

Екипът продължава да демонстрира реалното приложение на TSAM, като подлага този хидрогелен материал на свръхзвукови удари със скорост 1,5 км/сек - по-висока скорост от тази, с която частиците в космоса удрят както естествени, така и изкуствени обекти (обикновено > 1 км/сек), и скоростта на куршума от огнестрелни оръжия - която обикновено е между 0,4-1,0 км/сек. Освен това екипът открива, че TSAM могат не само да поглъщат удара на базалтови частици (~60 µM в диаметър) и по-големи парчета алуминиев шрапнел, но и да запазват тези снаряди след удар.

Сегашните брони обикновено се състоят от керамична лицева част, подкрепена от композит, подсилен с влакна, който е тежък и тромав. Освен това, макар че тази броня е ефективна при блокирането на куршуми и шрапнели, тя не блокира кинетичната енергия, която може да доведе до тъпи травми зад бронята. Освен това тази форма на броня често се поврежда необратимо след удара, поради нарушена структурна цялост, което не позволява по-нататъшното ѝ използване. Това прави включването на TSAM в новите конструкции на брони потенциална алтернатива на тези традиционни технологии, осигурявайки по-лека и по-дълготрайна броня, която също така предпазва ползвателя от по-широк спектър от наранявания, включително причинени от удар.

_{Концепцията за разработката на TSAM. a. Схема на протеина талин, F = FERM домейн, R = домен на пръчките, DD = димеризационен домейн. Областта R1-R3 е показана в оранжево. b. Контролна моновалентна кръстосана връзка 1 и тривалентна кръстосана връзка 2, c. pGEL в сгънато състояние, зелени квадратчета = гъвкави свързващи елементи, синьо квадратче = R1-R3 домейни на талина. d. Получена гелизация за всяка кръстосана връзка. e. Представяне на трираменната мрежова структура, образувана от кръстосана връзка 2 без приложено напрежение. f. pGEL в напълно сгънато състояние е с дължина ≈15 nm. g. При излагане на натоварване pGEL се разгъва в линеен низ от спирали с дължина ~65 nm. h. При излагане на по-голямо натоварване pGEL се разгъва напълно в удължен полипептид, като дължината му нараства до ~156 nm. Пълното обратно сгъване може да се осъществи след отстраняване на напрежението. i. Представяне на трираменната мрежова структура с приложено напрежение, предизвикващо удължаване на протеина във формата на отворени спирали, което увеличава дължината на влакното. Кредит: bioRxiv (2022). DOI: 10.1101/2022.11.29.518433}

Освен това способността на TSAM едновременно да улавя и запазва снаряди след удар ги прави приложими в аерокосмическия сектор, където има нужда от енергоразсейващи материали, позволяващи ефективно събиране на космически отпадъци, космически прах и микрометеорити за по-нататъшно научно изследване. Освен това тези уловени снаряди улесняват проектирането на аерокосмическо оборудване, като подобряват безопасността на астронавтите и дълготрайността на скъпото аерокосмическо оборудване. В този случай TSAM могат да бъдат алтернатива на стандартните за индустрията аерогелове, които могат да се разтопят поради повишаване на температурата в резултат на удара на снаряда.

"Този проект е резултат от интердисциплинарно сътрудничество между фундаменталната биология, химията и материалознанието, което доведе до създаването на този невероятен нов клас материали. Много сме развълнувани от потенциалните възможности за приложение на TSAMs за решаване на реални проблеми. Това е нещо, в което активно предприемаме изследвания с подкрепата на нови сътрудници в отбранителния и космическия сектор", заявява професор Джен Хискок.

Справка: Jack A. Doolan et al, Next generation protein-based materials capture and preserve projectiles from supersonic impacts, bioRxiv (2022). DOI: 10.1101/2022.11.29.518433

Източник: Team creates protein-based material that can stop supersonic impacts
Katherine Moss, University of Kent