美国国家标准与技术研究所
NIST大学的研究人员使用激光诱导射弹冲击测试(LIPIT)检查了由涂在聚合物链上的二氧化硅纳米颗粒组成的薄膜的韧性
利用LIPIT，他们向胶片推进微小的抛射物，并使用照相机和闪光灯每100纳秒捕捉它们的位置
射弹穿透薄膜后减速的速度揭示了这种材料的韧性
信用:NIST 美国国家标准与技术研究所(NIST)和哥伦比亚工程公司的研究人员发现了一种提高材料韧性的新方法，这种方法可以制造出更坚固的防弹衣、防弹玻璃和其他防弹设备
在今天发表在《软物质》杂志上的一项研究中，该团队制作了由纳米尺度的陶瓷颗粒组成的薄膜，这些颗粒用聚合物线(类似模糊的球体)装饰，并在微型冲击试验中将其作为目标，展示了这种材料增强的韧性
进一步的测试揭示了一种独特的特性，这种特性是典型的聚合物基材料所没有的，这种特性使薄膜能够迅速消散撞击产生的能量
该研究的合著者、NIST材料研究工程师埃德温·陈(Edwin Chan)说:“因为这种材料不像你在经典聚合物中看到的那样遵循传统的增韧概念，它为设计减轻冲击的材料开辟了新的途径。”
如今，构成大部分高抗冲塑料的聚合物由重复合成分子的线性链组成，这些分子要么物理上相互缠绕，要么相互形成化学键，形成高度缠结的网络
同样的原理也适用于大多数聚合物复合材料，它们通常通过掺入一些非聚合物材料来增强或增韧
新研究中的电影属于这一类，但具有独特的设计
“将塑料和一些固体颗粒混合在一起就像试图混合油和水
他们想分开，”哥伦比亚大学化学工程教授、该研究的合著者萨纳特·库马尔说
“我们小组已经意识到:解决这个问题的一种方法是用化学方法将塑料与粒子结合在一起
就像他们互相憎恨，但他们无法逃脱
" 这些薄膜由称为二氧化硅纳米颗粒的微小玻璃球制成，每个玻璃球都覆盖着一种叫做聚甲基丙烯酸酯(PMA)的聚合物链
为了生产这些聚合物接枝的纳米粒子，库马尔的实验室在纳米粒子的曲面上生长了PMA链，使每条链的一端保持静止
pgn上较短或较低分子量的链受到相邻链的限制
缺乏运动意味着它们没有太多的互动
但是离球形纳米粒子更远的高分子量聚合物有更大的活动空间，直到它们与其他链纠缠在一起
在这两个长度之间，有一个中间分子量，聚合物可以自由移动，但也不足以打结
这种现象对于材料最初的目的是有用的，即允许气体快速通过
但是成龙和NIST的其他人试图找出这种独特的特性将如何影响韧性
在库马尔实验室的帮助下，研究人员测试了不同分子质量的样品
NIST材料研究工程师和合著者克里斯·索尔斯说:“我们从一个非常短的刷式发型变成了一个非常长的嬉皮士发型，从颗粒上长出了聚合毛发。”
“刷过的纳米粒子不会缠结在一起，可以堆积在一起，但是随着聚合物变长，纳米粒子之间的距离扩大，粒子之间的链开始缠结并形成网络
" 在NIST，研究人员用一种被称为激光诱导射弹冲击测试的技术，向不同分子质量的PGN复合膜开火
这些高速撞击试验包括用激光以接近每秒1公里(超过每小时2200英里)的速度向目标发射10微米宽(约千分之四英寸)的球形射弹
他们通过相机拍摄的图像和每100纳秒(十亿分之一秒)闪烁的闪光灯来确定射弹在运输和撞击时的速度
从那里，研究小组得到了计算撕开薄膜所需的能量，这个量与韧性直接相关
该研究的作者发现，PGN复合膜通常比单独的PMA更坚韧
但也许更有趣的是，中等分子质量产生了最坚韧的薄膜
在纯聚合材料中，较长的链往往会产生更多的缠结
更多的缠结转化为更强的韧性，直到材料完全被束缚住
然而，立普妥测试显示，这种薄膜可以对抗传统的聚合物行为
最坚韧的样品的链比完全缠结的长度短得多，这意味着缠结不是驱动韧性的唯一因素
索尔和他的同事怀疑原因是中间分子质量的链之间的堆积减少，这可能会造成一种情况，即聚合物可以更自由地蠕动，并与相邻的链产生摩擦——这是耗散高冲击能量的潜在途径
为了确定韧性的潜在来源并检验他们的假设，研究小组成员使用了NIST中子研究中心的设备来评估聚合物的运动
这些测试证实，附着在纳米粒子上的中间分子质量链显示出移动的能力，然后在几皮秒(万亿分之一秒)内达到松弛状态
这些中间链的增强运动比短(无缠结)或长(高度缠结)的PMA链更容易耗散能量
这一发现支持了团队的直觉，尤其是当与LIPIT测试一起使用时
索尔说:“就在PGN复合膜显示出最高抗冲击性的那个分子质量上，接枝的PMA链显示出最高的流动性和能量耗散。”
这项研究的结果表明，固定在颗粒曲面上的聚合物长度存在一个最佳点，可以提高材料的韧性
这一发现可能也不仅限于PMA
Chan说:“基于这种平台，即接枝纳米粒子的概念，你可以开始试验更经典的高抗冲聚合物，比如防弹窗户中使用的聚碳酸酯。”
“有太多东西需要探索
我们只是触及这些材料的表面
"
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