Proteinový pancíř odolá nadzvukovým nárazům

Materiály s extrémním rozptylem energie jsou žádané pro řadu aplikací. Současné průmyslové standardy však vykazují jejich různá přirozená omezení. Hledání materiálů pro pancéřování nové generace vedlo vědce do říše přírody, kde je vše, od šnečích ulit po mořské houby, inspirovalo k využití proteinů, které se vyvíjely po tisíciletí. Díky tomu vyvinuli syntetické materiály na bázi proteinů, které by umožnily efektivní rozptyl energie, dokázaly odolat nadzvukovým nárazům a možná by našly využití i ve vesmírných aplikacích.
Vědci navázali na předchozí studium přirozené kompresní schopnosti proteinu zvaného talin, který obsahují naše buňky. Talin pomáhá buňkám vnímat a orientovat se v prostředí těla tím, že mění strukturu v reakci na vnější síly tlumit nárazy. Použili ho k vytvoření různých typů hydrogelových materiálů nazvaných TSAM (Talin Shock Absorbing Materials).
„Naše práce na proteinu talin, který je přirozeným tlumičem otřesů buněk, ukázala, že tato molekula obsahuje řadu binárních přepínacích domén, které se pod napětím otevírají a znovu se skládají, jakmile napětí poklesne. Tato reakce na sílu dává talinu schopnost tlumení molekulárních nárazů, čímž chrání naše buňky před účinky velkých změn síly. Když jsme zpolymerizovali talin na TSAM, zjistili jsme, že vlastnosti talinových monomerů tlumí nárazy, které propůjčují materiálu neuvěřitelné vlastnosti," vysvětluje autor studie prof. Ben Goult. Se svými kolegy vytvořil balistický gel na bázi talinu, který se po něm reformuje.
Rekombinantní forma mechanosenzitivního proteinu talinu byla inkorporována do monomerní jednotky a zesíťována, což vedlo k vytvoření prvního popsaného příkladu talinového šokového absorbčního materiálu. Když byl tento materiál vystaven nadzvukovým výstřelům rychlostí 1,5 km/s, relevantní pro letecký průmysl (hluboko v oblasti nadzvukové rychlosti, která začíná na Mach 1, a mnohem větší, než jakou dosahují úsťové rychlosti střelných zbraní, jež se běžně pohybují mezi 0,4-1 km/s, i než většina částic svištících vesmírem, obvykle přes 1 km/s), ukázalo se, že nejen absorbuje náraz, ale ve srovnání s tradičními neprůstřelnými materiály tyto projektily po dopadu hydrogelový TSAM zakonzervuje.
Schopnost zachytit částice pohybující se nadzvukovou rychlostí, aniž by je zničil při dopadu, dělá z TSAM první proteinový materiál, který toho dosáhl a mohlo by jej učinit vhodným i pro účely zachycování vesmírného odpadu, pro studium a vývoj skafandrů a dalších ochranných prostředků v leteckém i kosmickém sektoru.
V daném případě byly TSAM, kromě komerčně dostupného polyvinylpyrrolidonového hydrogelu (balistický gel), vystaveny střelbě z plynové pistole s projektily v podobě čedičových kuliček 20-70 µm. Zatímco kontrolní gel byl při výstřelu rychlostí 1,5 km/s zničen a v hliníkové zadní desce vznikl kráter o průměru 1,33 mm, TSAM se za analogických experimentálních podmínek jevil z čelní perspektivy neporušený, bez detekce průniku projektilu a poškození zadní hliníkové desky. Následná analýza identifikovala čedičové částice zabořené do TSAM po výstřelu, což potvrdilo, že zcela absorboval dopad čedičového broku.
Průhlednost TSAM je další vlastností, která umožňuje zachycené projektily z něj snadno odstranit. V gelu bylo pozorováno a analýzou EDX potvrzeno mnoho čedičových částic vykazujících zachovaný kruhový tvar. Navíc během jednoho z výstřelů TSAM zasáhl v kombinaci s čedičem i šrapnel z hliníkového trhacího disku. Takový dopad často ničí gelové materiály používané jako průmyslový standard v leteckém průmyslu pro zachycování projektilů, což dokazuje, že TSAM jsou schopny toto omezení překonat.
Podle výzkumníků mají tyto materiály na proteinové bázi potenciál absorbovat kinetickou energii z kulek i šrapnelů lépe než současné kevlarové vesty vyrobené z keramiky a kompozitů vyztužených vlákny. Integrace materiálů do balistických ochran nové generace by je proto mohla učinit lehčími, s delší životností a nabídnout lepší bezpečností parametry.

Petr Přibyl
Foto: Ben Goult, Yash Kahwade

Publikováno: 11. 1. 2023 | Počet zobrazení: 214 52