Инновационный материал с высокой прочностью и жесткостью, способный сжиматься под воздействием давления, был разработан инженерами из Университета RMIT (Австралия). Структура скелета глубоководной губки Euplectella aspergillum, обитающей в Тихом океане, послужила источником вдохновения для создания этого материала.
Материал с двойной решетчатой структурой обладает уникальными характеристиками, объединяя высокую жесткость, прочность и способность к упругому сжатию. Данное, называемое ауксетическим, поведение – расширение при растяжении и сжатие при сдавливании – предоставляет широкие перспективы для использования в строительстве, медицине, спортивном инвентаре и других сферах.
«Подобно резине, большинство материалов изменяют свою толщину при растяжении или сжатии. Однако ауксетики демонстрируют противоположное поведение, что делает их эффективными в поглощении и распределении энергии, возникающей при ударе », — поясняет руководитель исследования, доктор Цзямин Ма.
Науке давно известны природные ауксетики, например, сухожилия и кожа кошек. Однако синтетические аналоги, применяемые, к примеру, в сердечных стентах, характеризуются недостаточной жесткостью и ограниченной способностью к поглощению энергии. Новая разработка специалистов RMIT решает эти проблемы, представляя материал, который в 13 раз жестче существующих ауксетиков, основанных на традиционной сотоподобной структуре.
Результаты исследования, в журнале Composite Structures, показывают, что материал способен поглощать на 10% больше энергии и выдерживать на 60% больше деформации, сохраняя при этом свои ауксетические свойства.
«Отдельные решетки проявляют типичную реакцию на деформацию, однако их объединение, подобно тому, что наблюдается в глубоководной губке, обеспечивает возможность саморегуляции материала и поддержания формы, что существенно превосходит характеристики схожих конструкций », — отмечает доктор Ма.
Возможные сферы применения материала охватывают строительство, где он способен заменить сталь и бетон при создании каркасов зданий. Кроме того, он может найти применение в производстве легкого спортивного защитного снаряжения, бронежилетов и медицинских имплантатов.
«Данный биоинспирированный ауксетический материал позволяет расширить возможности разработки экологичных строительных конструкций будущего », — говорит доктор Нгок Сан Ха.
Дизайн был проверен командой с использованием компьютерного моделирования и 3D-печати из термопластичного полиуретана. В дальнейшем планируется разработка стальных аналогов для применения в сочетании с бетоном и утрамбованной землей.
«Наша работа направлена на использование этого материала в строительстве с целью уменьшения потребления стали и цемента. Благодаря своим ауксетическим свойствам он также способен снижать вибрации при землетрясениях », — добавляет доктор Ма.
В планах исследователей — объединение данной разработки с алгоритмами машинного обучения для последующей оптимизации и создания материалов с заданными свойствами.
Бионика, наука, которая использует природные принципы для разработки передовых и экологичных решений, является предметом пристального внимания в данном исследовании.