哈佛大学约翰·阿
保尔森工程和应用科学学院 碎片模拟射弹试验后，在Twaron片上的对位芳族聚酰胺纳米纤维片
学分:格兰特·冈萨雷斯/哈佛·SEAS 自第一次世界大战以来，绝大多数美国战斗伤亡不是来自枪伤，而是来自爆炸
今天，大多数士兵穿着厚重的防弹背心来保护他们的躯干，但他们的大部分身体仍然暴露在爆炸碎片和弹片的滥杀中
由于材料的基本特性，设计设备来保护四肢免受伴随爆炸而来的极端温度和致命射弹的伤害一直很困难
足以抵御弹道威胁的材料不能抵御极端温度，反之亦然
因此，今天的防护装备大多由多层不同材料组成，导致装备笨重，如果戴在胳膊和腿上，会严重限制士兵的行动能力
现在，哈佛大学的研究人员与美国大学合作
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陆军作战能力发展司令部士兵中心(CCDC SC)和西点军校已经开发了一种重量轻、多功能的纳米纤维材料，可以保护穿戴者免受极端温度和弹道威胁
这项研究发表在《物质》杂志上
“当我在阿富汗作战时，我亲眼目睹了防弹衣是如何拯救生命的，”资深作者基特·帕克说，他是哈佛大学约翰·阿的塔尔家族生物工程和应用物理学教授
鲍尔森工程和应用科学学院(SEAS)和美国陆军预备役中校
“我也看到了厚重的防弹衣是如何限制机动性的
作为战场上的士兵，三个主要任务是移动、射击和交流
如果你限制了其中的一个，你会降低生存能力，并危及任务的成功
" “我们的目标是设计一种多功能材料，可以保护在极端环境下工作的人，如宇航员、消防员或士兵，免受他们面临的许多不同威胁，”格兰特·M
冈萨雷斯是SEAS大学的博士后研究员，也是这篇论文的第一作者
哈佛大学的研究人员与美国陆军作战能力发展指挥士兵中心和西点军校合作，开发了一种轻质多功能纳米纤维材料，可以保护穿着者免受极端温度和弹道威胁
学分:格兰特·冈萨雷斯/哈佛·SEAS 为了实现这一实际目标，研究人员需要探索机械保护和热绝缘之间的权衡，这些属性根植于材料的分子结构和方向
具有强机械保护的材料，如金属和陶瓷，具有高度有序和排列有序的分子结构
这种结构允许他们承受和分配直接打击的能量
另一方面，绝缘材料的有序结构要少得多，这阻碍了热量通过材料的传递
凯夫拉尔和特瓦龙是广泛用于防护设备的商业产品，可以提供弹道或热防护，这取决于它们的制造方法
例如，编织凯夫拉尔纤维具有高度排列的晶体结构，用于防弹背心的防护
另一方面，多孔凯夫拉尔气凝胶显示出高的绝热性
冈萨雷斯说:“我们的想法是用这种凯夫拉尔聚合物将纤维的编织有序结构与气凝胶的多孔性结合起来，制成中间有多孔间隔的长而连续的纤维。”
“在这种系统中，长纤维可以抵抗机械冲击，而孔隙会限制热量扩散
" 研究小组使用浸没式旋转喷射纺丝(iRJS)来制造纤维，这是一种由帕克疾病生物物理集团开发的技术
在这项技术中，液体聚合物溶液被装载到一个容器中，并在设备旋转时通过离心力从一个微小的开口中推出
当聚合物溶液从容器中喷出时，它首先通过一个露天区域，在那里聚合物伸长，链排列
然后溶液进入液体浴，去除溶剂，使聚合物沉淀形成固体纤维
由于浴池也在旋转——就像沙拉旋转器中的水一样——纳米纤维沿着涡流流动，缠绕在设备底部的旋转收集器上
通过调节液体聚合物溶液的粘度，研究人员能够将长的、排列整齐的纳米纤维旋转成多孔片——提供足够的秩序来防止投射物，但提供足够的无序来防止热量
在大约10分钟内，团队可以旋转出大约10×30厘米大小的薄片
对位芳族聚酰胺纳米纤维提供机械强度，具有限制热扩散的空隙或空白空间 为了测试床单，哈佛团队转向他们的合作者进行弹道测试
马萨诸塞州纳蒂克的CCDC科学中心的研究人员通过向样本发射类似于BB的大型射弹来模拟弹片的冲击
该小组通过将纳米纤维片夹在编织的特瓦龙之间来进行测试
他们观察到一堆全编织的特瓦龙片材和一堆编织的特瓦龙和纺成的纳米纤维在保护方面几乎没有区别
“CCDC SC的能力使我们能够从作战人员防护装备的角度来量化我们光纤的成功，”冈萨雷斯说
“学术合作，尤其是那些与当地著名大学如哈佛大学的合作，为CCDC州立大学提供了利用尖端专业知识和设施来增强我们自己的R&D能力的机会，”CCDC州立大学的研究员、该论文的作者之一凯瑟琳·斯瓦纳说
“作为回报，CCDC SC提供了宝贵的科学和以士兵为中心的专业知识和测试能力，以帮助推动研究向前发展
" 在热防护测试中，研究人员发现纳米纤维的隔热能力是商用特瓦龙和凯夫拉尔的20倍
冈萨雷斯说:“虽然还有改进的余地，但我们已经突破了可能的界限，开始向这种多功能材料迈进。”
帕克说:“我们已经表明，你可以为那些在危险环境中工作的人开发出高度保护性的纺织品。”
“我们现在面临的挑战是为我的战友兄弟姐妹们将科学进步转化为创新产品
" 哈佛大学技术发展办公室已经为这项技术提交了专利申请，并且正在积极寻求商业化机会
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