ความเป็นไปได้ในการสร้างวัสดุที่มีมุมหักเหเป็นลบถูกทำนายไว้ในปี 1967 โดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Viktor Veselago แต่ตอนนี้เป็นเพียงตัวอย่างแรกของโครงสร้างจริงที่มีคุณสมบัติดังกล่าวปรากฏขึ้น เนื่องจากมุมหักเหเป็นลบ รังสีของแสงจะโค้งงอรอบๆ วัตถุ ทำให้มองไม่เห็น ดังนั้น ผู้สังเกตการณ์จึงสังเกตเห็นเฉพาะสิ่งที่เกิดขึ้นเบื้องหลังผู้สวมเสื้อคลุมที่ "วิเศษ" เท่านั้น
เพื่อให้ได้เปรียบในสนามรบ กองกำลังทหารสมัยใหม่หันไปใช้ความสามารถที่อาจก่อกวน เช่น ชุดเกราะและชุดเกราะขั้นสูงของยานพาหนะ และนาโนเทคโนโลยี นวัตกรรมลายพราง อุปกรณ์ไฟฟ้าใหม่ ซุปเปอร์สะสม และ "อัจฉริยะ" หรือการป้องกันแบบโต้ตอบของแพลตฟอร์มและบุคลากร ระบบทหารกำลังมีความซับซ้อนมากขึ้น มีการพัฒนาและผลิตวัสดุมัลติฟังก์ชั่นขั้นสูงและวัสดุที่ใช้ได้สองแบบขั้นสูง และการย่อขนาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานหนักและยืดหยุ่นได้เกิดขึ้นอย่างก้าวกระโดด
ตัวอย่าง ได้แก่ วัสดุที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ วัสดุคอมโพสิตขั้นสูง เซรามิกที่ใช้งานได้ วัสดุอิเล็กโตรโครมิก วัสดุ "ป้องกันไซเบอร์" ที่ตอบสนองต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า พวกเขาคาดว่าจะกลายเป็นกระดูกสันหลังของเทคโนโลยีก่อกวนที่จะเปลี่ยนแปลงสนามรบและธรรมชาติของการสู้รบในอนาคตโดยไม่สามารถเพิกถอนได้
วัสดุขั้นสูงรุ่นต่อไป เช่น metamaterials, graphene และ carbon nanotubes กำลังสร้างความสนใจและการลงทุนอย่างมาก เนื่องจากมีคุณสมบัติและฟังก์ชันการทำงานที่ไม่พบในธรรมชาติ และเหมาะสำหรับการใช้งานด้านการป้องกันและงานที่ดำเนินการในพื้นที่รุนแรงหรือพื้นที่ที่ไม่เป็นมิตร นาโนเทคโนโลยีใช้วัสดุขนาดนาโนเมตร (10-9) เพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างในระดับอะตอมและโมเลกุล และสร้างเนื้อเยื่อ อุปกรณ์ หรือระบบต่างๆ วัสดุเหล่านี้เป็นพื้นที่ที่มีแนวโน้มสูง และในอนาคตอาจส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพการรบ
Metamaterials
ก่อนดำเนินการต่อ มากำหนด metamaterial กันก่อน Metamaterial เป็นวัสดุคอมโพสิตซึ่งคุณสมบัติของนั้นไม่ได้ถูกกำหนดโดยคุณสมบัติขององค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบมากนักเช่นเดียวกับโครงสร้างธาตุที่สร้างขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจ พวกมันถูกสร้างเทียมและมีโครงสร้างพิเศษที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าหรืออะคูสติกที่ยากต่อการเข้าถึงทางเทคโนโลยี หรือไม่พบในธรรมชาติ
Kymeta Corporation ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Intellectual Ventures เข้าสู่ตลาดการป้องกันประเทศในปี 2559 ด้วยเสาอากาศ mTenna metamaterial ตามที่ผู้อำนวยการของ บริษัท Nathan Kundz เสาอากาศแบบพกพาในรูปแบบของเสาอากาศรับส่งสัญญาณมีน้ำหนักประมาณ 18 กก. และกินไฟ 10 วัตต์ อุปกรณ์สำหรับเสาอากาศ metamaterial มีขนาดเท่ากับหนังสือหรือเน็ตบุ๊ก ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว และผลิตในลักษณะเดียวกับจอภาพ LCD หรือหน้าจอสมาร์ทโฟนที่ใช้เทคโนโลยี TFT
Metamaterials ประกอบด้วยโครงสร้างจุลภาคที่มีความยาวคลื่นย่อย กล่าวคือ โครงสร้างที่มีขนาดน้อยกว่าความยาวคลื่นของรังสีที่ต้องควบคุมโครงสร้างเหล่านี้สามารถทำจากวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก เช่น ทองแดง และสลักบนแผ่น PCB ไฟเบอร์กลาส
Metamaterial สามารถสร้างขึ้นเพื่อโต้ตอบกับส่วนประกอบหลักของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและการซึมผ่านของแม่เหล็ก ตามที่ Pablos Holman นักประดิษฐ์ที่ Intellectual Ventures เสาอากาศที่สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี metamaterial สามารถแทนที่เสาเซลล์ สายโทรศัพท์พื้นฐาน และสายเคเบิลโคแอกเซียลและไฟเบอร์ออปติกในที่สุด
เสาอากาศแบบเดิมได้รับการปรับแต่งเพื่อสกัดกั้นพลังงานควบคุมของความยาวคลื่นเฉพาะ ซึ่งกระตุ้นอิเล็กตรอนในเสาอากาศเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ในทางกลับกัน สัญญาณที่เข้ารหัสเหล่านี้สามารถตีความได้ว่าเป็นข้อมูล
ระบบเสาอากาศสมัยใหม่มีความยุ่งยากเนื่องจากความถี่ต่างกันต้องการเสาอากาศประเภทอื่น ในกรณีของเสาอากาศที่ทำจาก metamaterials ชั้นพื้นผิวช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนทิศทางของการดัดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Metamaterials แสดงทั้งการซึมผ่านของไดอิเล็กตริกเชิงลบและการซึมผ่านของแม่เหล็กเชิงลบ ดังนั้นจึงมีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ ดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบนี้ ซึ่งไม่พบในวัสดุธรรมชาติใดๆ เป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อข้ามพรมแดนของสื่อที่แตกต่างกันสองชนิด ดังนั้น ตัวรับสัญญาณของเสาอากาศ metamaterial สามารถปรับทางอิเล็กทรอนิกส์เพื่อรับความถี่ที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้นักพัฒนาสามารถใช้บรอดแบนด์และลดขนาดขององค์ประกอบเสาอากาศได้
metamaterials ภายในเสาอากาศดังกล่าวจะประกอบเป็นเมทริกซ์แบนของเซลล์แต่ละเซลล์ที่อัดแน่น (คล้ายกับการวางพิกเซลบนหน้าจอทีวี) กับเมทริกซ์แบนอื่นของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมขนานกัน เช่นเดียวกับโมดูลที่ควบคุมการปล่อยคลื่นผ่านซอฟต์แวร์ และยอมให้เสาอากาศกำหนดทิศทางการแผ่รังสี
Holman อธิบายว่าวิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจข้อดีของเสาอากาศ metamaterial คือการพิจารณาช่องรับแสงทางกายภาพของเสาอากาศให้ละเอียดยิ่งขึ้นและความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตบนเรือ เครื่องบิน โดรน และระบบเคลื่อนที่อื่นๆ
Holman กล่าวต่อว่า ดาวเทียมสื่อสารใหม่ทุกดวงที่ปล่อยสู่วงโคจรในทุกวันนี้ มีความสามารถมากกว่ากลุ่มดาวบริวารเมื่อไม่กี่ปีก่อน เรามีศักยภาพมหาศาลสำหรับการสื่อสารแบบไร้สายในเครือข่ายดาวเทียมเหล่านี้ แต่วิธีเดียวที่จะสื่อสารกับพวกเขาคือการใช้จานดาวเทียมซึ่งมีขนาดใหญ่ หนัก และมีราคาแพงในการติดตั้งและบำรุงรักษา ด้วยเสาอากาศที่ยึดตาม metamaterials เราสามารถสร้างจอแบนที่สามารถบังคับลำแสงและเล็งไปที่ดาวเทียมได้โดยตรง
“ห้าสิบเปอร์เซ็นต์ของเวลาที่เสาอากาศบังคับทิศทางทางกายภาพไม่ได้มุ่งเน้นที่ดาวเทียม และคุณออฟไลน์อย่างมีประสิทธิภาพ” ฮอลแมนกล่าว "ดังนั้น เสาอากาศ metamaterial จึงมีประโยชน์อย่างยิ่งในบริบททางทะเล เนื่องจากจานถูกควบคุมทางกายภาพเพื่อนำไปยังดาวเทียม เนื่องจากเรือมักจะเปลี่ยนเส้นทางและแกว่งไปมาบนคลื่นอย่างต่อเนื่อง"
ไบโอนิค
การพัฒนาวัสดุใหม่ยังมุ่งไปสู่การสร้างระบบมัลติฟังก์ชั่นที่ยืดหยุ่นด้วยรูปทรงที่ซับซ้อน วิทยาศาสตร์ประยุกต์มีบทบาทสำคัญต่อการประยุกต์ใช้หลักการขององค์กร คุณสมบัติ หน้าที่และโครงสร้างของธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตในอุปกรณ์และระบบทางเทคนิค Bionics (ในวรรณคดีตะวันตก biomimetics) ช่วยให้บุคคลสร้างระบบทางเทคนิคดั้งเดิมและกระบวนการทางเทคโนโลยีตามแนวคิดที่ค้นพบและยืมมาจากธรรมชาติ
ศูนย์วิจัยสงครามเรือดำน้ำของกองทัพเรือสหรัฐฯ กำลังทดสอบเครื่องค้นหาทุ่นระเบิดอัตโนมัติ (APU) ที่ใช้หลักการไบโอนิค เลียนแบบการเคลื่อนไหวของสัตว์ทะเล มีดโกนยาว 3 เมตรและสามารถถือได้สองคนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของมันประสานการทำงานของปีกกระพือสี่ปีกและใบพัดท้ายสองใบ การกระพือปีกเลียนแบบการเคลื่อนไหวของสัตว์บางชนิด เช่น นกและเต่า ซึ่งช่วยให้ APU เลื่อนลอย เคลื่อนที่อย่างแม่นยำด้วยความเร็วต่ำและไปถึงความเร็วสูง ความคล่องแคล่วนี้ยังช่วยให้ Razor ปรับตำแหน่งตัวเองและลอยไปรอบๆ วัตถุสำหรับการถ่ายภาพ 3 มิติได้อย่างง่ายดาย
หน่วยงานวิจัยของกองทัพเรือสหรัฐฯ กำลังให้ทุนสนับสนุนในการพัฒนาต้นแบบสำหรับเรือดำน้ำ Velox แบบเลือกได้ของ Pliant Energy Systems ซึ่งแทนที่ใบพัดด้วยระบบครีบที่เหมือนกระดาษหลายชั้น ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งสร้างการเคลื่อนไหวแบบลูกคลื่นเหมือนทางลาดซ้ำๆ อุปกรณ์นี้แปลงการเคลื่อนที่ของครีบโพลีเมอร์แบบอิเล็กโทรแอกทีฟ เป็นคลื่น และยืดหยุ่นด้วยเรขาคณิตไฮเพอร์โบลิกระนาบเป็นการเคลื่อนที่แบบแปลนซึ่งเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระใต้น้ำ ในคลื่นของคลื่น ในทราย เหนือทะเล และพืชพรรณบนบก บนหินลื่นหรือน้ำแข็ง
โฆษกของ Pliant Energy Systems กล่าว การเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเป็นลูกคลื่นช่วยป้องกันสิ่งกีดขวางในพืชพันธุ์หนาแน่น เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่หมุนได้ ในขณะที่ลดความเสียหายต่อพืชและตะกอนให้น้อยที่สุด ยานเสียงต่ำซึ่งขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สามารถปรับปรุงการลอยตัวเพื่อรักษาตำแหน่งไว้ใต้น้ำแข็ง ในขณะที่สามารถควบคุมจากระยะไกลได้ งานหลักคือ: การสื่อสาร รวมทั้ง GPS, WiFi, วิทยุหรือดาวเทียม; ความฉลาดและการรวบรวมข้อมูล ค้นหาและช่วยเหลือ; และการสแกนและระบุนาที
การพัฒนานาโนเทคโนโลยีและโครงสร้างจุลภาคมีความสำคัญมากในเทคโนโลยีไบโอนิค ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจที่นำมาจากธรรมชาติเพื่อจำลองกระบวนการทางกายภาพหรือเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตวัสดุใหม่
ห้องปฏิบัติการวิจัยของกองทัพเรือสหรัฐฯ กำลังพัฒนาแผ่นป้องกันโพลีเมอร์โปร่งใสซึ่งมีโครงสร้างจุลภาคเป็นชั้นๆ คล้ายกับเปลือกไคตินัสของสัตว์น้ำที่มีเปลือกแข็ง แต่ทำจากวัสดุพลาสติก ซึ่งช่วยให้วัสดุยังคงความสอดคล้องตามอุณหภูมิและน้ำหนักบรรทุกที่หลากหลาย ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ป้องกันบุคลากร แท่นจอดนิ่ง ยานพาหนะ และเครื่องบินได้
ยาส ซังเกรา หัวหน้าฝ่ายวัสดุและอุปกรณ์เกี่ยวกับการมองเห็นในห้องปฏิบัติการนี้ กล่าวว่า การป้องกันที่มีอยู่ในท้องตลาดมักทำจากพลาสติกสามประเภทและไม่สามารถทนต่อกระสุนขนาด 9 มม. ที่ยิงจากระยะ 1-2 เมตรและบินจากความเร็วได้ 100 เปอร์เซ็นต์ 335 ม. / วินาที
เกราะโปร่งใสที่พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการนี้ทำให้มวลลดลง 40% ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ของขีปนาวุธและดูดซับพลังงานกระสุนเพิ่มขึ้น 68% Sanghera อธิบายว่าชุดเกราะอาจเหมาะสำหรับการใช้งานทางทหารหลายอย่าง เช่น ยานเกราะป้องกันทุ่นระเบิด รถหุ้มเกราะสะเทินน้ำสะเทินบก รถเสบียง และหน้าต่างห้องนักบิน
ตามที่ Sanghera ห้องทดลองของเขาตั้งใจบนพื้นฐานของการพัฒนาที่มีอยู่ เพื่อสร้างเกราะโปร่งแสงที่มีรูปร่างโปร่งแสงที่มีลักษณะหลายแรงกระแทกและลดน้ำหนักลงได้มากกว่า 20% ซึ่งจะช่วยป้องกันกระสุนปืนขนาดลำกล้อง 7, 62x39 มม.
DARPA ยังพัฒนาชุดเกราะ Spinel แบบโปร่งใสที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวอีกด้วย วัสดุนี้มีลักษณะพิเศษหลายอย่างที่ดีเยี่ยม มีความแข็งสูงและทนต่อการสึกกร่อน เพิ่มความต้านทานต่อปัจจัยภายนอก มันส่งรังสีอินฟราเรดคลื่นกลางที่กว้างขึ้น ซึ่งเพิ่มความสามารถของอุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืน (ความสามารถในการมองเห็นวัตถุหลังพื้นผิวกระจก) และยังมีน้ำหนักเพียงครึ่งเดียวของน้ำหนักกระจกกันกระสุนแบบเดิม
กิจกรรมนี้เป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม Atoms to Product (A2P) ของ DARPA ซึ่ง "พัฒนาเทคโนโลยีและกระบวนการที่จำเป็นในการประกอบอนุภาคระดับนาโน (ใกล้เคียงกับขนาดอะตอม) เข้าสู่ระบบ ส่วนประกอบ หรือวัสดุอย่างน้อยในระดับมิลลิเมตร"
ในช่วงแปดปีที่ผ่านมา หน่วยงานได้ประสบความสำเร็จในการลดความหนาของเกราะโปร่งใสของฐานจากประมาณ 18 ซม. เป็น 6 ซม. ในขณะที่ยังคงรักษาคุณลักษณะด้านความแข็งแกร่งไว้ ตามที่หัวหน้าโครงการ A2P ที่ DARPA, John Maine กล่าว ประกอบด้วยชั้นต่างๆ มากมาย "ไม่ใช่ทั้งหมดที่เป็นเซรามิกและไม่ใช่พลาสติกหรือแก้วทั้งหมด" ซึ่งยึดติดกับวัสดุรองพื้นเพื่อป้องกันการแตกร้าว “คุณควรคิดว่ามันเป็นระบบป้องกัน ไม่ใช่เป็นวัสดุเสาหิน”
กระจกสปิเนลถูกผลิตขึ้นสำหรับติดตั้งบนรถต้นแบบของรถบรรทุก American Army FMTV (Family of Medium Tactical Vehicles) สำหรับการประเมินโดยศูนย์วิจัยหุ้มเกราะ
ภายใต้โครงการ A2P DARPA ได้รับรางวัล Voxtel ซึ่งเป็นสถาบัน Oregon Institute for Nanomaterials and Microelectronics ซึ่งเป็นสัญญามูลค่า 5.59 ล้านดอลลาร์สำหรับการวิจัยกระบวนการผลิตที่ปรับขนาดจากนาโนเป็นมาโคร โครงการไบโอนิคนี้เกี่ยวข้องกับการพัฒนากาวสังเคราะห์ที่เลียนแบบความสามารถของจิ้งจกตุ๊กแก
“บนฝ่าเท้าของตุ๊กแก มีบางอย่างเหมือนขนเล็กๆ … ยาวประมาณ 100 ไมครอน ซึ่งแตกกิ่งก้านอย่างรุนแรง ที่ปลายกิ่งเล็กๆ แต่ละกิ่งจะมีแผ่นนาโนขนาดเล็กขนาดประมาณ 10 นาโนเมตร เมื่อสัมผัสกับผนังหรือเพดาน แผ่นเหล่านี้จะทำให้ตุ๊กแกยึดติดกับผนังหรือเพดานได้"
Maine กล่าวว่าผู้ผลิตไม่สามารถทำซ้ำความสามารถเหล่านี้ได้เนื่องจากไม่สามารถสร้างโครงสร้างนาโนที่แตกแขนงได้
“Voxtel พัฒนาเทคโนโลยีการผลิตที่จำลองโครงสร้างทางชีววิทยานี้และจับคุณสมบัติทางชีววิทยาเหล่านี้ มันใช้ท่อนาโนคาร์บอนในรูปแบบใหม่ ช่วยให้คุณสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่ซับซ้อน และใช้พวกมันในรูปแบบดั้งเดิม ไม่จำเป็นต้องเป็นโครงสร้าง แต่ในรูปแบบอื่นที่สร้างสรรค์กว่า"
Voxtel ต้องการพัฒนาเทคนิคการผลิตสารเติมแต่งขั้นสูงที่จะผลิต "วัสดุที่ประกอบเข้าด้วยกันเป็นบล็อกที่ใช้งานได้สมบูรณ์ แล้วประกอบเป็นระบบที่แตกต่างกันที่ซับซ้อน" เทคนิคเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับการจำลองรหัสพันธุกรรมอย่างง่ายและปฏิกิริยาเคมีทั่วไปที่พบในธรรมชาติ ซึ่งช่วยให้โมเลกุลสามารถประกอบตัวเองจากระดับอะตอมเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่สามารถให้พลังงานแก่ตัวเองได้
“เราต้องการพัฒนากาวที่ใช้ซ้ำได้ขั้นสูง เราต้องการวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นกาวอีพ็อกซี่ แต่ไม่มีความสามารถในการทิ้งและการปนเปื้อนบนพื้นผิว - เมนกล่าว "ความสวยงามของวัสดุแบบตุ๊กแกคือไม่ทิ้งคราบและใช้งานได้ทันที"
วัสดุขั้นสูงอื่นๆ ที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ได้แก่ วัสดุที่บางเฉียบ เช่น กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งมีคุณสมบัติโครงสร้าง ความร้อน ไฟฟ้า และการมองเห็นที่จะปฏิวัติพื้นที่การต่อสู้ในปัจจุบัน
กราฟีน
ในขณะที่ท่อนาโนคาร์บอนมีศักยภาพที่ดีสำหรับการใช้งานในระบบอิเล็กทรอนิกส์และการพรางตัว เช่นเดียวกับในด้านชีวการแพทย์ กราฟีน "น่าสนใจกว่าเพราะมีความเป็นไปได้มากกว่าบนกระดาษ" Giuseppe Dakvino โฆษกของ European Defense กล่าว หน่วยงาน (EOA).
กราฟีนเป็นวัสดุนาโนที่บางเฉียบซึ่งเกิดจากชั้นของอะตอมคาร์บอนหนาหนึ่งอะตอม กราฟีนน้ำหนักเบาและทนทานบันทึกค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าได้สูง อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศกำลังศึกษาความเป็นไปได้ของการใช้กราฟีนอย่างรอบคอบในการใช้งานที่ต้องการความแข็งแกร่ง ความยืดหยุ่น และความทนทานต่ออุณหภูมิสูง เช่น ในภารกิจการรบที่ดำเนินการในสภาวะที่รุนแรง
Dakwino กล่าวว่า graphene อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี วัสดุแห่งอนาคต เหตุผลที่มีการถกเถียงที่น่าสนใจมากในตอนนี้ก็เพราะว่าหลังจากการวิจัยในภาคพลเรือนมานานหลายปี เป็นที่ชัดเจนว่าจะเปลี่ยนสถานการณ์การต่อสู้ได้จริง”
“เพื่อแสดงความเป็นไปได้เพียงไม่กี่อย่าง: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น ระบบกำลัง การป้องกันขีปนาวุธ การพรางตัว ฟิลเตอร์/เมมเบรน วัสดุกระจายความร้อนสูง การใช้งานด้านชีวการแพทย์ และเซ็นเซอร์ อันที่จริงแล้วสิ่งเหล่านี้เป็นทิศทางทางเทคโนโลยีหลัก"
ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2560 EAO ได้เริ่มการศึกษาระยะยาวหนึ่งปีเกี่ยวกับการใช้กราฟีนทางทหารที่เป็นไปได้และผลกระทบต่ออุตสาหกรรมการป้องกันประเทศของยุโรป งานนี้นำโดย Spanish Foundation for Technical Research and Innovation ซึ่ง University of Cartagena และบริษัท British Cambridge Nanomaterial Technology Ltd. ในเดือนพฤษภาคมปี 2018 ได้มีการจัดสัมมนาของนักวิจัยและผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับกราฟีน โดยมีการกำหนดแผนงานสำหรับการใช้งานในภาคการป้องกัน
ตาม EOA "ในบรรดาวัสดุที่มีศักยภาพในการปฏิวัติความสามารถในการป้องกันในทศวรรษหน้า graphene อยู่ในรายชื่อที่สูง น้ำหนักเบา ยืดหยุ่น แข็งแรงกว่าเหล็ก 200 เท่า และค่าการนำไฟฟ้านั้นเหลือเชื่อ (ดีกว่าซิลิคอน) เช่นเดียวกับค่าการนำความร้อน"
EOA ยังตั้งข้อสังเกตอีกว่ากราฟีนมีคุณสมบัติที่โดดเด่นในด้าน "การจัดการลายเซ็น" กล่าวคือ สามารถใช้ในการผลิต "สารเคลือบดูดซับคลื่นวิทยุ ซึ่งจะทำให้ยานทหาร เครื่องบิน เรือดำน้ำ และเรือพื้นผิวกลายเป็นวัตถุที่แทบตรวจไม่พบ" ทั้งหมดนี้ทำให้กราฟีนเป็นวัสดุที่น่าสนใจอย่างยิ่ง ไม่เพียงแต่สำหรับอุตสาหกรรมพลเรือนเท่านั้น แต่ยังสำหรับการใช้งานทางทหาร ทั้งทางบก ทางอากาศ และทางทะเล"
ด้วยเหตุนี้ กองทัพสหรัฐจึงกำลังศึกษาการใช้กราฟีนสำหรับยานยนต์และชุดป้องกัน ตามที่วิศวกร Emil Sandoz-Rosado แห่งห้องปฏิบัติการวิจัยทางการทหารของกองทัพบกสหรัฐฯ (ARL) กล่าวว่า วัสดุนี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม กราฟีนอะตอมหนึ่งชั้นมีความแข็งกว่า 10 เท่า และแข็งแกร่งกว่าชั้นเดียวกันของเส้นใยขีปนาวุธเชิงพาณิชย์ถึง 30 เท่า “เพดานของกราฟีนสูงมาก นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่คณะทำงานหลายกลุ่มใน ARL แสดงความสนใจในเรื่องนี้ เนื่องจากลักษณะการออกแบบของ ARL มีแนวโน้มที่ดีในแง่ของการจอง
อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาที่ค่อนข้างใหญ่อีกด้วย หนึ่งในนั้นคือการปรับขนาดวัสดุ กองทัพต้องการวัสดุป้องกันที่สามารถครอบคลุมรถถัง ยานพาหนะ และทหาร “เราต้องการอะไรอีกมาก โดยทั่วไปเรากำลังพูดถึงชั้นหนึ่งล้านหรือมากกว่าที่เราต้องการในขณะนี้”
Sandoz-Rosado กล่าวว่า graphene สามารถผลิตได้หนึ่งหรือสองวิธีไม่ว่าจะผ่านกระบวนการปอกเปลือกโดยแยกกราไฟท์คุณภาพสูงออกเป็นชั้นอะตอมที่แยกจากกันหรือโดยการปลูกกราฟีนอะตอมเดี่ยวบนฟอยล์ทองแดง กระบวนการนี้เป็นที่ยอมรับโดยห้องปฏิบัติการที่ผลิตกราฟีนคุณภาพสูง “มันไม่ได้ค่อนข้างสมบูรณ์แบบ แต่ก็ใกล้เคียงกันมาก อย่างไรก็ตาม วันนี้ถึงเวลาพูดถึงชั้นอะตอมมากกว่าหนึ่งชั้น เราต้องการผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์” ด้วยเหตุนี้ จึงได้มีการเปิดตัวโปรแกรมเพื่อพัฒนากระบวนการผลิตกราฟีนในระดับอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่อง
“ไม่ว่าจะเป็นท่อนาโนคาร์บอนหรือกราฟีน คุณต้องคำนึงถึงข้อกำหนดเฉพาะที่ต้องปฏิบัติตาม” Dakvino เตือน โดยสังเกตว่าคำอธิบายอย่างเป็นทางการของคุณลักษณะของวัสดุขั้นสูงใหม่ การกำหนดมาตรฐานของกระบวนการที่แม่นยำสำหรับการสร้างวัสดุใหม่ ความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการเหล่านี้ ความสามารถในการผลิตของห่วงโซ่ทั้งหมด (ตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานไปจนถึงการผลิตการสาธิตและต้นแบบ) จำเป็นต้องมีการศึกษาอย่างรอบคอบและให้เหตุผลในการใช้วัสดุที่ก้าวหน้า เช่น กราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนในแพลตฟอร์มทางการทหาร
“นี่ไม่ใช่แค่การวิจัยเท่านั้น เพราะท้ายที่สุดแล้ว คุณต้องแน่ใจว่ามีการอธิบายเนื้อหาบางอย่างอย่างเป็นทางการ จากนั้นคุณต้องแน่ใจว่ามันสามารถผลิตได้ในกระบวนการบางอย่างมันไม่ง่ายเลย เพราะกระบวนการผลิตสามารถเปลี่ยนแปลงได้ คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตอาจแตกต่างกันไปตามกระบวนการ ดังนั้นต้องทำซ้ำหลาย ๆ ครั้ง"
จากข้อมูลของ Sandoz-Rosado ARL ได้ทำงานร่วมกับผู้ผลิตกราฟีนเพื่อประเมินระดับคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความสามารถในการปรับขนาดของผลิตภัณฑ์ แม้ว่าจะยังไม่ชัดเจนว่ากระบวนการต่อเนื่องซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการก่อตัว มีรูปแบบธุรกิจ ความสามารถที่เหมาะสมหรือไม่ และมีคุณภาพตามที่ต้องการหรือไม่
Dakwino ตั้งข้อสังเกตว่าความก้าวหน้าในการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์และการคำนวณควอนตัมสามารถเร่งการวิจัยและพัฒนาตลอดจนการพัฒนาวิธีการผลิตวัสดุขั้นสูงในอนาคตอันใกล้ “ด้วยการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยและการสร้างแบบจำลองวัสดุ หลายสิ่งสามารถสร้างแบบจำลองได้: ลักษณะของวัสดุและแม้แต่กระบวนการผลิตก็สามารถสร้างแบบจำลองได้ คุณยังสามารถสร้างความเป็นจริงเสมือน ซึ่งโดยทั่วไปคุณสามารถดูขั้นตอนต่างๆ ของการสร้างวัสดุได้"
Dakwino ยังกล่าวอีกว่าการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ขั้นสูงและเทคนิคเสมือนจริงให้ข้อได้เปรียบโดยการสร้าง "ระบบบูรณาการซึ่งคุณสามารถจำลองวัสดุเฉพาะและดูว่าวัสดุนั้นสามารถนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมเฉพาะได้หรือไม่" คอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถเปลี่ยนสถานะของกิจการได้ที่นี่
“ในอนาคต ฉันเห็นความสนใจมากขึ้นในวิธีการผลิตใหม่ๆ วิธีใหม่ๆ ในการสร้างวัสดุใหม่ และกระบวนการผลิตใหม่ผ่านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ เนื่องจากพลังการประมวลผลมหาศาลนั้นสามารถได้รับได้โดยใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมเท่านั้น”
ตามข้อมูลของ Dakwino แอปพลิเคชั่นของ graphene บางตัวมีเทคโนโลยีที่ล้ำหน้ากว่าในขณะที่บางตัวมีน้อยกว่า ตัวอย่างเช่น สามารถปรับปรุงคอมโพสิตเซรามิกแบบเมทริกซ์ได้โดยการผสานเพลตกราฟีนที่ช่วยเสริมความแข็งแรงของวัสดุและเพิ่มความต้านทานทางกลในขณะที่ลดน้ำหนัก “ถ้าเรากำลังพูดถึง ตัวอย่างเช่น เกี่ยวกับคอมโพสิต” Dakvino กล่าวต่อ “หรือในความหมายทั่วไปส่วนใหญ่ เกี่ยวกับวัสดุที่ได้รับการเสริมแรงด้วยการเพิ่มกราฟีน เราก็จะได้วัสดุจริงและกระบวนการผลิตจริงจำนวนมาก หากไม่ใช่พรุ่งนี้ แต่บางทีในอีกห้าปีข้างหน้า"
“นี่คือเหตุผลที่กราฟีนน่าสนใจมากสำหรับระบบป้องกันขีปนาวุธ ไม่ใช่เพราะกราฟีนสามารถใช้เป็นเกราะได้ แต่ถ้าคุณใช้กราฟีนในชุดเกราะของคุณเป็นวัสดุเสริมแรง มันก็จะแข็งแกร่งกว่าเคฟลาร์ได้"
พื้นที่ลำดับความสำคัญ เช่น ระบบอัตโนมัติและเซ็นเซอร์ ตลอดจนพื้นที่ทางทหารที่มีความเสี่ยงสูง เช่น ใต้น้ำ อวกาศ และไซเบอร์เนติกส์ ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับวัสดุขั้นสูงใหม่และส่วนต่อประสานของนาโนและไมโครเทคโนโลยีกับเทคโนโลยีชีวภาพ "การพรางตัว" วัสดุ วัสดุปฏิกิริยา และระบบการผลิตและจัดเก็บพลังงาน
Metamaterials และนาโนเทคโนโลยีเช่น graphene และ carbon nanotubes กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน ในเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ กองทัพกำลังมองหาโอกาสใหม่ สำรวจการใช้งานและอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้น เนื่องจากพวกเขาถูกบังคับให้สร้างสมดุลระหว่างความต้องการของสนามรบสมัยใหม่และเป้าหมายการวิจัยในระยะยาว