Університет RMIT
Інженерам з Королівського технологічного університету у Мельбурні вдалось розробити новий напрочуд міцний матеріал.
Він дуже міцний під час стискання та має необхідну жорсткість для використання у будівництві та дизайні упаковок для продуктів. На створення цього матеріалу розробників надихнула складна структура скелета глибоководної тихоокеанської губки, відомої своєю пружністю. Подвійна ґратчаста структура матеріалу імітує скелет цієї дивовижної істоти.
Як зазначає один з провідних авторів дослідження, доктор Цзямінг Ма, численні випробування і постійне вдосконалення підтвердили, що конструктивно матеріал не тільки має підвищену міцність та жорсткість, а також здатний стискатись під час стискання, що дозволяє легко використовувати його у багатьох різних областях діяльності. Саме здатність стискатись, відома як ауксетична поведінка, відкриває цілу низку можливостей для використання конструкції у будівництві та інших сферах.
«У той час як більшість матеріалів стають тоншими при розтягуванні або товщі — при стисканні, як гума, ауксетики роблять протилежне. Ауксетики здатні ефективно поглинати та розподіляти енергію удару, що робить їх надзвичайно корисними», — пояснює Цзямінг Ма.
Серед природних ауксетиків — сухожилля, котяча шкіра. Водночас аналогічні синтетичні матеріали використовуються у виробництві серцево-судинних стентів, які розширюються та звужуються за необхідністю.
Попри те, що ауксетики мають велику кількість корисних властивостей, їхня низька жорсткість і обмежена здатність до поглинання енергії, обмежують діапазон застосування цих матеріалів. Розроблена австралійськими інженерами структура подвійної решітки має велике значення, оскільки позбавлена усіх вище перерахованих недоліків.
«Кожна решітка сама по собі схильна до традиційної деформації, але якщо об’єднати їх, як це робить природа в глибоководній губці, то вона саморегулюється і зберігає свою форму, перевершуючи за своїми характеристиками аналогічні матеріали з досить значним відривом», — переконує Цзямінг Ма.
Результати випробувань продемонстрували, що при однаковій кількості матеріалу подвійна решітка у 13 разів жорсткіша за традиційні ауксетики. До того ж вона здатна поглинати на 10% більше енергії, не втрачаючи при цьому своїх властивостей, з діапазоном деформації, збільшеним на 60%, порівняно з існуючими конструкціями.
За словами доктора Нгок Сан Ха, структура такої напрочуд міцної решітки забезпечує надійну основу для розробки екологічно чистих будівель майбутнього.
«Наш ауксетичний метаматеріал з високою жорсткістю та поглинанням енергії може забезпечити значні переваги у багатьох секторах: від будівельних матеріалів до захисного обладнання, спортивного інвентарю та медичних додатків», — впевнений Нгок Сан Ха.
Наприклад, біоінспірована ґратчаста структура може бути використана як сталевий каркас будівлі, дозволяючи використовувати менше сталі та бетону для досягнення тих самих результатів, що і традиційний каркас. Розроблений матеріал також може лягти в основу легкого спортивного захисного спорядження, бронежилетів чи медичних імплантатів.
Розробники провели випробування конструкції за допомогою комп’ютерного моделювання та тестів у лабораторних умовах із використанням зразка, надрукованого на 3D-принтері з термопластичного поліуретану. Тепер вони планують виготовити сталеві зразки із використанням цієї конструкції й поєднати їх з бетонними та земляними.
«Хоча ця розробка може мати перспективу застосування у спортивному обладнанні, засобах індивідуального захисту та медичних додатках, ми насамперед зосереджені на будівельному аспекті. Ми розробляємо більш екологічний будівельний матеріал, використовуючи унікальне поєднання видатної ауксетичності, жорсткості та поглинання енергії, властиве нашій конструкції, для скорочення використання сталі та цементу у будівництві. Його ауксетичні та енергопоглинаючі властивості також можуть допомогти гасити вібрації під час землетрусів», — наголошує Цзямінг Ма.
Матеріал опублікований у журналі Science
Джерело: SciTech Daily