3D-gedrucktes Nanomaterial könnte Kevlar und Stahl für kugelsichere Panzerung ersetzen

Das Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), das sich aus dem MIT, dem Caltech, der ETH Zürich und dem US Army Research Lab zusammensetzt, hat mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie im Nanobereich ein Material hergestellt, das Berichten zufolge ein Projektil besser aufhalten kann als Kevlar oder Stahl.

Das Material, das dünner ist als ein einzelnes menschliches Haar, besteht aus winzigen Kohlenstoffstreben, die miteinander verbundene Tetrakaidekaeder – Strukturen mit 14 Flächen – bilden, die mittels Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt werden. Dem Team zufolge könnte das Material mit Nanoarchitektur Kevlar für eine Vielzahl von kugelsicheren Schutzausrüstungen ersetzen.

Das ISN-Team erforscht schon seit 2018 die Möglichkeiten der Zwei-Photonen-Lithographie für den Druck von 3D-Objekten im Nanomaßstab. Während die meisten Materialien mit Nanoarchitektur in Sachen Beständigkeit primär auf Druck und Zug untersucht wurde, wollte das ISN-Team herausfinden, wie ein solches Material Hochgeschwindigkeitsstöße überstehen könnte.

Das vom ISN entwickelte Material besteht aus miteinander verbundenen Tetrakaidekaedern, die aus Kohlenstoffstreben bestehen, die mittels Zwei-Photonen-Lithographie angeordnet werden.

Es wurden zwei Versionen des ultradünnen Materials mit unterschiedlichen Dichten hergestellt und mit Mikropartikeln von 14 Mikrometern Durchmesser bei Geschwindigkeiten zwischen 40 und 1.100 Metern pro Sekunde bestrahlt. Die dichtere Version des Materials erwies sich als widerstandsfähiger gegenüber den Stößen, da sich die Mikropartikel in das Material einbetteten, anstatt es zu durchbrechen, wie es bei vollständig dichten Polymeren oder Kohlenstoffplatten derselben Dicke der Fall wäre.

Nach Angaben des ISN-Teams übertraf das Nanomaterial die Leistung von Stahl um mehr als 100 Prozent und die von Kevlar-Verbundwerkstoffen um mehr als 70 Prozent.

Die ISN-Partner sind der Ansicht, dass das entwickelte Material das Potenzial hat, Kevlar und Stahl für Panzerungen, Schutzbeschichtungen und explosionssichere Schilde zu ersetzen, die von Soldaten in den Streitkräften verwendet werden. Bevor das Material jedoch in der Praxis eingesetzt werden kann, muss es noch weiter entwickelt werden.

Weitere Informationen über das Material findet man im wissenschaftlichen Paper mit dem Titel “Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon“, welches in der Zeitschrift Nature Materials erschienen ist. Die Studie wurde von C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. Nelson, D. Kochmann und J. Greer verfasst.