Вдохновленные глубоководной губкой, инженеры Университета RMIT разработали новый материал с удивительной прочностью на сжатие и жесткостью, который может улучшить архитектуру и прочность зданий. Дизайн двойной решетки был вдохновлен сложным скелетом глубоководной губки, известной как «цветочная корзина Венеры», которая обитает в Тихом океане.
Ведущий автор исследования RMIT, доктор Цзямин Ма, говорит, что всестороннее тестирование и оптимизация выявили впечатляющее сочетание жесткости и прочности конструкции, а также способность сжиматься при надавливании.
Именно этот последний аспект — так называемое ауксетическое поведение — открывает целый ряд возможностей для применения конструкции в строительстве и других областях. «В то время как большинство материалов становятся тоньше при растяжении или толще при сжатии, как, например, резина, ауксетики делают все наоборот», — говорит Ма. «Они могут эффективно поглощать и распределять энергию удара, что делает их чрезвычайно полезными».
К природным ауксетикам относятся сухожилия и кошачья кожа, а синтетические материалы используются для изготовления сердечных и сосудистых стентов, которые расширяются и сжимаются по мере необходимости. Однако, несмотря на полезные свойства ауксетических материалов, их низкая жесткость и плохая способность поглощать энергию ограничивают их применение. Вдохновленная природой конструкция двойной решетки, разработанная командой, имеет большое значение, поскольку позволяет преодолеть эти недостатки.
«Каждая решетка сама по себе обладает традиционными свойствами деформации, но если их объединить, как это делает природа в глубоководной губке, то она сама себя регулирует, сохраняет форму и превосходит аналогичные материалы», — говорит Ма.
Результаты, опубликованные в журнале Composite Structures, показывают, что при одинаковом расходе материала решетка в 13 раз жестче, чем существующие ауксетические материалы, в основе которых лежат сотовые конструкции с повторным использованием ячеек. Материал также может поглощать на 10 % больше энергии, сохраняя при этом свою ауксетичность, и на 60 % увеличивая диапазон деформаций по сравнению с существующими конструкциями.
Доктор Нгок Сан Ха говорит, что уникальное сочетание этих свойств открывает несколько интересных возможностей для применения нового материала. «Эта решетка, созданная на основе биоинспирации, закладывает самую прочную основу для разработки экологически безопасных зданий следующего поколения», — сказал он. «Наш метаматериал с высокой жесткостью и поглощением энергии может принести значительную пользу во многих отраслях, от строительных материалов до защитного снаряжения и спортивного инвентаря или медицины», — сказал он.
Биоинспирированная решетчатая структура может работать, например, как стальной каркас здания, позволяя использовать меньше стали и бетона для достижения результатов, аналогичных традиционному каркасу. Структура также может стать основой для легкого спортивного защитного снаряжения, пуленепробиваемых жилетов или медицинских имплантатов.
«Биомимикрия не только вдохновляет на красивые и элегантные конструкции, подобные этой, но и создает умные технологии, которые были оптимизированы в течение миллионов лет эволюции, и мы можем учиться у них», — сказал Кси.
Команда ученых проверила конструкцию с помощью компьютерного моделирования и лабораторных испытаний на 3D-печатных образцах из термопластичного полиуретана. Теперь планируется изготовить стальные версии конструкции для использования вместе с бетонными и земляными конструкциями — методом строительства с использованием уплотнённого природного сырья.
«Мы разрабатываем более экологичный строительный материал, используя уникальное сочетание исключительной прочности, жесткости и энергопоглощения, чтобы сократить использование стали и цемента в строительстве. Его ауксетичность и энергопоглощающие свойства могут также помочь гасить вибрации во время землетрясений», — заключили ученые.
[Фото: Jiaming Ma / RMIT University]
