Τα υλικά με υψηλό δείκτη διάχυσης της ενέργειας πρόσκρουσης βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορους τομείς· κάποιες φορές, μάλιστα, σε τομείς αρκετά διαφορετικούς μεταξύ τους. Μία -προφανής- χρησιμότητα, αφορά τον σχεδιασμό εξοπλισμού προστασίας (π.χ. αλεξίσφαιρα γιλέκα). Από την άλλη, οι επιστήμονες που ερευνούν το διάστημα (αλλά και η ταχέως αναπτυσσόμενη αεροδιαστημική βιομηχανία) χρειάζονται υλικά που να επιτρέπουν την σύλληψη και διατήρηση των υπερταχέων βλημάτων, ώστε να μπορούν να τα μελετήσουν.
Μια επιστημονική ομάδα από το “University of Kent”, με επικεφαλής τους καθηγητές Ben Goult και Jen Hiscock, δημιούργησε ένα πρωτοποριακό υλικό απορρόφησης κραδασμών, το οποίο μπορεί να φέρει επανάσταση τόσο στον τομέα της άμυνας όσο και στον τομέα της πλανητικής επιστήμης.
Αυτή η νέα οικογένεια υλικών, που βασίζεται σε πρωτεΐνες και ονομάζεται TSAM (Talin Shock Absorbing Materials), αποτελεί το πρώτο γνωστό παράδειγμα υλικού SynBio (συνθετικής βιολογίας) ικανού να απορροφά τις προσκρούσεις υπερηχητικών βλημάτων. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για μία νέα γενιά υλικών αλεξίσφαιρης θωράκισης, όπως επίσης και για υλικά που είναι σε θέση να συλλαμβάνουν βλήματα, επιτρέποντας έτσι την μελέτη των υπερταχέων κρούσεων στο διάστημα και στην ανώτερη ατμόσφαιρα.
Ο καθηγητής Ben Goult εξηγεί: «Η εργασία μας επάνω στην πρωτεΐνη ταλίνη -η οποία αποτελεί τον φυσικό αποσβεστήρα κραδασμών των κυττάρων- έδειξε ότι αυτό το μόριο περιέχει μια σειρά από binary switch domains (τμήματα αλυσίδων που μεταπηδούν μεταξύ δύο καταστάσεων), τα οποία ξεδιπλώνονται όταν βρεθούν κάτω από πίεση, ενώ διπλώνονται ξανά μόλις η πίεση χαθεί. Αυτή η απόκριση στη δύναμη είναι που δίνει στην ταλίνη την ιδιότητα της απορρόφησης κραδασμών, προστατεύοντας τα κύτταρά μας από τις επιπτώσεις των μεγάλων μεταβολών στη δύναμη. Όταν πολυμερίσαμε την ταλίνη σε TSAM, διαπιστώσαμε ότι οι ιδιότητες απορρόφησης κραδασμών των μονομερών ταλίνης, προσέδωσαν απίστευτες ιδιότητες στο υλικό.
Η ομάδα προχώρησε στην επίδειξη των ιδιοτήτων του υδροπηκτώματος (hydrogel) TSAM σε συνθήκες πραγματικού κόσμου, υποβάλλοντας το σε υπερηχητικές προσκρούσεις αντικειμένων με 1,5 km/s, ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή με την οποία τα σωματίδια στο διάστημα προσκρούουν επάνω σε φυσικά και τεχνητά αντικείμενα (συνήθως > 1 km/s), καθώς και από τις ταχύτητες των βλημάτων από πυροβόλα όπλα, οι οποίες κυμαίνονται μεταξύ 0,4 και 1,0 km/s. Επιπλέον, βάλλοντας προς το υλικό σωματίδια βασάλτη (με διάμετρο ~60 μΜ) και -μεγαλύτερα- θραύσματα αλουμινίου, η ομάδα ανακάλυψε ότι τα TSAM δεν απορροφούν απλά την πρόσκρουση, αλλά είναι και σε θέση να διατηρήσουν την κατάσταση των βλημάτων.
Η τρέχουσες θωρακίσεις σώματος αποτελούνται από μία κεραμική επιφάνεια -μπροστά- που υποστηρίζεται από ένα σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες, το οποίο είναι βαρύ και δυσχεραίνει την κίνηση. Επιπλέον, τα προστατευτικά αυτά, ενώ καταφέρνουν να μπλοκάρουν αποτελεσματικά τις σφαίρες και τα θραύσματα, δεν απορροφούν την κινητική ενέργεια, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αμβλύ τραύμα πίσω από την θωράκιση. Ένα ακόμη μειονέκτημα είναι το ότι, μετά την πρόσκρουση, η δομική ακεραιότητα αυτής της μορφής θωράκισης υφίσταται συχνά ανεπανόρθωτη ζημιά, εμποδίζοντας την περαιτέρω χρήση της. Η ενσωμάτωση του TSAM σε νέους σχεδιασμούς θωράκισης, αποτελεί μία πιθανή εναλλακτική αυτών των παραδοσιακών τεχνολογιών. Θα είναι σε θέση να παρέχει ελαφρύτερα και μεγαλύτερης διάρκειας μέσα προστασίας, τα οποία θα προστατεύουν τον χρήστη από ένα ευρύτερο φάσμα τραυματισμών, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που προκαλούνται από το τράνταγμα της πρόσκρουσης.
Επιπροσθέτως, η ικανότητα του TSAM να συλλαμβάνει και να διατηρεί τα βλήματα μετά την πρόσκρουση, το καθιστά ιδανικό για τον τομέα της αεροδιαστημικής, όπου υπάρχει ανάγκη για υλικά διάχυσης της ενέργειας πρόσκρουσης ώστε να καταστεί δυνατή η αποτελεσματική συλλογή διαστημικών απορριμμάτων, διαστημικής σκόνης και μικρομετεωροειδών για περαιτέρω επιστημονική μελέτη. Τα βλήματα που συλλαμβάνονται βοηθούν επίσης στον σχεδιασμό του εξοπλισμού, βελτιώνοντας την ασφάλεια των αστροναυτών και τον χρόνο ζωής των δαπανηρών σκαφών και συστημάτων της αεροδιαστημικής. Τα TSAM μπορούν να προσφέρουν μια εναλλακτική λύση, καθώς τα τα αεροπηκτώματα (aerogels) ενδέχεται να λιώσουν από την άνοδο της θερμοκρασίας που προκαλεί η πρόσκρουση.
Η Jen Hiscock λέει: «Το έργο αυτό προέκυψε από μια διεπιστημονική συνεργασία μεταξύ των τομέων της βιολογίας, της χημείας και της επιστήμης των υλικών, και το αποτέλεσμά της είναι η παραγωγή αυτής της καταπληκτικής νέας κατηγορίας υλικών. Είμαστε ενθουσιασμένοι με τις πιθανές εφαρμογές των δυνατοτήτων του TSAM για την επίλυση προβλημάτων του πραγματικού κόσμου. Έχουμε αναλάβει να οδηγήσουμε ενεργά την έρευνά μας σε αυτό το στόχο, με την υποστήριξη των νέων συνεργατών μας από τους τομείς της άμυνας και της αεροδιαστημικής.»
Παραπομπές: Jack A. Doolan, Luke S. Alesbrook et al. Next-generation protein-based materials capture and preserve projectiles from supersonic impacts. bioRxiv. DOI: 10.1101/2022.11.29.518433
Πηγή: https://blogs.kent.ac.uk/
