基于激光的新方法可以帮助发现新材料：子弹刺穿急救人员的防护装甲、水母蜇伤游泳者、微陨石撞击卫星：刺穿材料的高速射弹以多种形式出现。研究人员不断致力于寻找能够更好地抵抗这些高速穿刺事件的新材料，但很难将有前途的新材料的微观细节与其在现实世界中的实际行为联系起来。
为了解决这个问题，美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的研究人员设计了一种方法，使用高强度激光以接近声速的速度将微型弹丸射入小样本中。该系统在微观层面上分析粒子和感兴趣的样品之间的能量交换，然后使用缩放方法来预测材料对较大高能射弹（例如现实世界中遇到的子弹）的穿刺阻力。《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志中描述的这种新方法 减少了使用更大的弹丸和更大的样品 进行一系列冗长的实验室实验的需要。
“当您正在研究一种新材料的防护应用时，如果该材料没有成功，您不想浪费时间、金钱和精力来扩大测试规模。通过我们的新方法，我们可以更早地了解是否值得研究一种材料的保护性能。”NIST 化学家 Katherine Evans 说道。
在实验室实验中，合成少量的新聚合物（例如，从咖啡杯大小的玻璃器皿中合成几毫克）可能是相当常规的。挑战在于扩大生产公斤数的材料以测试其抗穿刺性。对于由新型合成聚合物制成的材料，扩大到足够的数量通常是不可能或不切实际的。
“弹道测试的问题在于，在制造新材料时必须采取两个步骤。你需要合成一种你认为更好的新聚合物，然后将其放大到千克大小。这是一个很大的跳跃。这项工作的最大成就是，我们令人惊讶地表明，微弹道测试可以扩展并与现实世界的大规模测试联系起来，”NIST 材料研究工程师 Christopher Soles 说道。
在研究过程中，研究人员使用他们的方法评估了几种材料，包括广泛使用的防弹玻璃化合物、新型纳米复合材料以及被称为石墨烯的坚固全碳材料。
该测试称为 LIPIT，代表激光诱导弹丸冲击测试。它使用激光将由二氧化硅或玻璃制成的微弹发射到感兴趣材料的薄膜中。通过称为激光烧蚀的过程，激光产生高压波，将微弹材料推向样品。
基于激光的新方法可以帮助发现新材料：研究人员首先使用该方法来分析一种称为聚合物接枝纳米颗粒聚甲基丙烯酸酯（npPMA）复合材料的纳米复合材料。它由二氧化硅纳米粒子组成，可用于包括防弹衣在内的广泛应用。激光以每秒 100 至 400 米的速度推动微弹射向目标材料，并使用摄像机测量其影响。
研究人员将在 npPMA 上获得的测量结果与额外的数学分析结合起来，同时结合研究文献中材料的现有数据，将微弹测试的结果与更大规模的影响联系起来。由于 npPMA 是一种新颖材料且不易制造，因此他们扩大了分析范围，将一种更常用的化合物（称为聚碳酸酯）纳入其中，该化合物被广泛用作防弹玻璃。
结合使用文献结果、尺寸分析和 LIPIT 的方法，研究人员能够证明材料的耐穿刺性与材料在断裂之前可以承受的最大应力（称为失效应力）相关。这挑战了目前对弹道性能的理解，通常认为弹道性能与压力波如何穿过材料有关。
他们的新方法可以确定材料的强度极限，或者它可以承受多少应力和压力，而无需事先直接测量这些特性，这有助于优化在实验中选择哪些材料。这使得他们能够探索石墨烯等材料，这表明该材料的多个薄膜层可以用于与高性能聚合物类似的抗冲击应用。
“这种新范例为我们提供了一种新的实验工具来评估一些石墨烯和其他预计具有优异弹道性能的二维材料的炒作。我们有可能通过实验验证这些材料是否优于聚碳酸酯等经典防弹材料，即使不扩大新型二维材料的合成规模，这将是昂贵的，”Soles 说。
他们的方法可以帮助识别许多应用的新材料，例如增材制造、航天器保护、更好的防动物咬伤防护装备，甚至药物输送。研究人员正在研究开发无针注射，其中称为液体射流的高速流体流刺穿皮肤。虽然许多应用旨在避免刺穿，但 LIPIT 可以在这种情况下提供有关如何使用液体射流作为射弹最有效地穿透皮肤的见解。
至于下一步，研究人员正在寻求多种途径。他们计划评估其他新型材料的防弹性能，并研究不同的类型和配置。他们还将改变微弹的尺寸并扩大其速度范围。
NIST 研究人员还希望将 LIPIT 的实验结果与两种类型的模拟联系起来。一种是有限元分析 (FEA)，其中将感兴趣的对象建模为一组互连的简单部件。FEA 传统上用于模拟整个样品的机械变形。有时，研究人员执行 FEA 模拟的速度比实验室实验更快。然而，NIST 材料科学工程师 Edwin Chan 表示，最终模拟必须与实际材料的实验数据一致。
第二种模拟方法称为分子动力学（MD）。这是一种规模小得多的模拟，着眼于聚合物等材料分子水平的行为。MD 可以探索弹丸撞击材料后聚合物成分（例如分子链）如何变形。
“由于我们无法直接看到聚合物链的作用，MD 具有洞察力，因为它让我们更好地了解为什么某些聚合物具有更好的抗冲击性，”Chan 说。
研究人员希望他们的方法能够为研究材料的行为开辟许多新的可能性。
“通过这种方法，我们可以问，‘我们还可以改变系统中的哪些其他内容，或者我们如何针对特定应用改进材料？’ 您可以更改其几何形状，而不是更改材料的成分。或者你可以研究自然界的材料并观察它的行为，”埃文斯说。
