Актуальным направлением в современном материаловедении является разработка материалов с оптимальным соотношением прочности и плотности. Более легкие и прочные материалы расширяют спектр их потенциального использования. Ключевым аспектом этих исследований является получение макроскопических упорядоченных пористых структур, основанных на трехпериодических поверхностях, которые делят пространство на две системы непересекающихся пор. В общем виде математическая задача создания таких поверхностей до сих пор не имеет универсального решения. Специалисты Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха, возглавляемые директором и доктором химических наук Владиславом Блатовым, предложили метод построения практически неограниченного числа таких поверхностей, основанный на топологическом анализе атомных сеток природных кристаллов. На их основе было синтезировано свыше 200 пористых структур, проанализированы их механические характеристики и выявлены наиболее перспективные образцы. Детали последних исследований представлены в статье (DOI:10.1080/15376494.2025.2518468).
– Мы обратили внимание на идеальные трехпериодические структуры, которые встречаются в природе. К примеру, кристаллы цеолитов имеют атомные решетки с отчетливо выраженными порами. Топологический анализ этих решеток позволяет выявить в них трехпериодические структуры, включая минимальные поверхности. Создавая саму поверхность с ограниченной толщиной из одного материала и заполняя не пересекающиеся поры веществами, обладающими иными свойствами, можно получить композитные структуры с широким спектром функциональных возможностей. К тому же, благодаря своей разветвленной структуре, они характеризуются большой площадью поверхности, – так объясняет доктор физико-математических наук, заместитель директора МНИЦТМ по научной работе Александр Крутов.
– По результатам компьютерного моделирования выяснилось, что эти структуры характеризуются значительным разбросом значений упругости и заметной анизотропией: их механические свойства в значительной степени определяются направлением приложенной силы, – сообщает кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник МНИЦТМ Михаил Смольков. – Это создает благоприятные условия для использования таких конструкций в разнообразных инженерных проектах. Наиболее удачные варианты были созданы из PLA-пластика с применением технологии аддитивного производства, или 3D-печати).
После этого исследователи осуществили ряд экспериментов, в том числе в сотрудничестве с сотрудниками кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Самарского политеха. Пористую структуру наполняли цементом и воздействовали на нее различными нагрузками. Использование пластикового армирования обеспечило высокую прочность материала. В будущем это позволит значительно снизить вес строительных конструкций, сохраняя при этом необходимые механические свойства.
– Исследования, посвященные анализу полученных пористых структур, и результаты математического моделирования показали любопытный результат: прочность некоторых из них на сжатие превосходит прочность сплошного материала, из которого они состоят. По словам кандидата технических наук, инженера МНИЦТМ, этот эффект упрочнения связан исключительно с их геометрией и топологическими характеристиками Михаил Фролов.
Пористые материалы, разработанные в Научно-медицинском центре трансплантологии и микрохирургии, могут найти применение в медицине, в частности, при создании костных имплантов. Благодаря своей структуре, позволяющей костной ткани и кровеносным сосудам проникать внутрь импланта, он сможет интегрироваться с организмом.
Пресс-служба Самарского политеха предоставила информацию и фотографии