Kiinalaiset ovat keksineet uuden äärimmäisen vahvan kankaan, joka on puhkaisukestävyydeltään todennäköisesti kaikkien aikojen vahvin tekstiili maailmassa. New Scientistin mukaan vain 1,8 millimetriä paksu neljästä päällekkäisestä kudoskerroksesta muodostuva vaate pysäyttää 300 metriä sekunnissa liikkuvan luodin.
300 m/s on melko tyypillinen pistoolin luodin nopeus, joskin enemmän hitaasta kuin nopeasta päästä pistoolin luotien tyypillistä 250–450 m/s lähtövauhtien vaihteluväliä (*).
Pehmeiden suojamateriaalien luodinkestävyyttä mitataan standardinomaisesti nimenomaan pistoolin luoteja vastaan. Hyvin harva jos mikään liivin tai vaatteen mittoihin mahtuva pehmeä este kestää iskua kiväärin luodista.
Myös kiväärin luodin kestäviä liivejä on olemassa, mutta ne sisältävät kovia suojalevyjä. Kiväärit ampuvat luodin matkaan tyypillisesti 700–900 metriä sekunnissa.
Pekingin yliopistossa työskentelevän Jin Zhangin ryhmän uusi materiaali koostuu suurimmaksi osaksi aivan samanlaisesta aineesta kuin kevlar, eli para-aramidikuiduista. Nämä kuidut on kuitenkin kudottu molekyylitasolla yhteen hiilinanoputkien kanssa.
Aramidikuituja toisissaan kiinni pitävä nanoputkikomposiittirakenne ratkaisee tutkijoiden mukaan kevlarin keskeisen heikkouden eli kuitujen lipsumisen toistensa ohi. Näin saatiin aikaiseksi materiaali, jonka vetolujuus on jopa 10,3 gigapascalia. Luku on äärimmäisen korkea.
Puhtaita hiilinanokuituja uusi kangas ei kuitenkaan päihitä. Saman tutkimusryhmän viime kesänä julkistamissa mittauksissa nanokuiduilla päästiin 14 gigapascaliin asti. Kiinan tiedeakatemian tiedotteen mukaan luku olisi ylivoimaisesti korkein millään kuidulla koskaan mitattu.
Hiilinanokuiduista ei kuitenkaan helpolla tehdä isoa kangasta käytännön käyttöön. Kiinalaisten uusi aramidi-nanokuitu-komposiitti sen sijaan ei ole laisinkaan teoreettinen vaan hyvin kouriintuntuva tuote. He ovat valmistaneet tästä kankaasta jo useiden tai jopa kymmenien neliömetrien kokoisia näytteitä, ilmenee New Scientistin julkaisemasta kuvasta.
Uuden luodinkestävän materiaalin kehitystyö vei kiinalaistutkijoilta kuusi vuotta. Heidän Matter-lehdessä julkaisemansa tieteellisen artikkelin ensimmäisenä kirjoittajana mainitaan Jijun Luo. Tämä maininta tarkoittaa tyypillisesti suurinta vastuuta käytännön työstä.
Mikä aramidi?
Edellä mainittu sana aramidi tarkoittaa aromaattista polyamidia. Nämä materiaalit ovat käytännössä enemmän kuitu- kuin muovimaisia, mutta kemiallisesti ne ovat polymeerejä ja siten sukua tavallisille polyamideille kuten nailonille.
Useimmat polyamidit, myös nailon, ovat muovien mittapuulla kestäviä. Tämä aiheutuu polymeeriketjuissa toistuvien amidiryhmien välille muodostuvista vetysidoksista, jotka estävät ketjuja irtoamasta toisistaan.
Sama ilmiö eli vetysidokset nostaa veden sulamispistettä noin 150 asteella ja kiehumispistettä noin 250 asteella verrattuna siihen, mitä nämä lämpötilat olisivat veden kaltaisella kevyistä molekyyleistä koostuvalla aineella ilman vetysidoksia.
Aramidit ja erityisesti niiden alakategoria para-aramidit ovat puolestaan nailonia rutkasti lujempia niiden jäykän ja säännöllisen rakenteen ansiosta. Aramidien monomeerit eli polymeerin rakenneyksiköt ovat molekyylitasolla jäykkiä rengasrakenteita. Jäykistä paloista muodostuvat polymeerirungot eivät pääse muljahtelemaan ympäri kuten tavanomaisten polymeerien rungot.
Para-aramideissa tätä taipumusta vahvistaa se, että polymeerimolekyylit pääsevät kiteytymään toistensa kanssa säännölliseksi rakenteeksi, jossa paljon suurempi osuus vetysidoksista aktivoituu kuin yleensä.
(*) Ilmanvastus hidastaa yllättävän vähän
Vertailtaessa normaaleja ja raskaita eli noin 9–12 mm pistoolin kaliipereja voidaan sanoa yleistyksenä, että isot luodit ammutaan yleensä hitaampina kuin keskikokoiset. Esimerkiksi kaliiperin 11,45×23 mm luodit ammutaan yleensä lievästi aliäänisinä noin 250–320 m/s lähtövauhdilla ja 9×19 mm kaliiperin luodit lievästi yliäänisinä 350–450 m/s.
Pistoolinluodin osumavauhdissa pitää huomioida myös ilmanvastuksen hidastava vaikutus ampujan ja kohteen välissä, mutta tämä vaikutus on ehkä yllättävänkin pieni pistooleille tyypillisillä enintään muutaman kymmenen metrin ampumaetäisyyksillä.
Hidastavaa vaikutusta voidaan arvioida suurin piirtein niin sanotulla Newtonin iskusyvyydellä. Tämän likimääräisesti paikkansa pitävän fysiikan peukalosäännön mukaan kappaleet pysähtyvät väliaineessa sille syvyydelle, jossa ne ovat kohdanneet omaa massaansa vastaavan määrän väliaineen massaa mitattuna otsapinta-alaa kohti (eli kg/m²). Yllättävää kyllä tämä lopputulos riippuu suhteellisen vähän alkuperäisestä liikevauhdista!
Koska luodit on tehty lyijystä, joka on melko tarkkaan 10 000 kertaa ilmaa tiheämpää, voidaan arvioida, että luotien vauhti kestäisi 10 000 kertaa oman pituutensa etäisyydelle eli pistoolin luotien tapauksessa pyöreästi 100 metrin päähän.
Tarkempaa arviota varten pitää huomioida ilmanvastuksen muotokerroin, joka on luodeille noin suuruusluokkaa 1/3. Niinpä pistoolin luoti lentäisi kolminkertaisesti pidemmälle eli 300 metrin päähän.
Tarkempia vastauksia varten pitäisi käyttää integraalilaskentaa, mutta jo tämä likimääräinen arvio kertoo, että esimerkiksi 10 tai 20 metrin päässä ylivoimaisesti suurin osa pistoolin luodin lähtönopeudesta on jäljellä.
Arvio Newtonin iskusyvyydestä pätee – kuten todettua, likimain – jos väliaine on kaasua tai nestettä, tai jos ammus liikkuu riittävän nopeasti rikkoakseen kiinteän kohteen materiaalilujuuden.
Teoria ei päde, jos kohde on niin luja ja/tai ammus niin hidas, että kohde pysäyttää ammuksen omalla lujuudellaan. Teoria ei myöskään päde kaasussa tai nesteessä, jos vauhti on niin hidas, että kaasun tai nesteen viskositeetti (ts. materiaalin ”lujuus”) alkaa hallita vastusvoimaa pelkän liike-energiasta johtuvan vauhdin 2. potenssiin skaalautuvan riippuvuuden sijasta.
Kolmas tapaus, jossa Newtonin teoria ei päde, ovat äärimmäiset törmäysvauhdit. Silloin penetraatiota hallitsevaksi tekijäksi muodostuu ammuksen eteenpäin suuntautuvan liikkeen sijasta sen liike-energian räjähdysvaikutus.
