Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Вдохновлённый природой, новый многослойный синтетический материал может сделать будущие бамперы и бронежилеты способными интеллектуально поглощать удары.
Природа потратила миллионы лет на создание лучшей защиты. Подумайте о панцире черепахи, твёрдом покрытии краба или блестящей внутренней поверхности морской раковины. Они существуют не только для красоты. Они помогают живым организмам выживать, распределяя силу удара, поглощая их и изгибаясь вместо того, чтобы ломаться.
Теперь инженеры используют те же идеи для создания нового вида искусственного материала. Вдохновившись особенностью морских раковин, они создали слоистый синтетический материал, который не просто принимает удар, но и адаптируется к нему.
Каждый слой разработан так, чтобы реагировать по-разному, а все слои работают вместе, смягчая удар.Самовосстанавливающийся полимер защитит спутники – Материал будущего
За пределами биомимикрии
Практический подход может показаться простым: просто скопировать, как работают природные защитные слои.
Но исследователи решили пойти дальше. Вместо обратного инжиниринга природы они разработали метод программирования отдельных слоёв для совместной работы под нагрузкой.
Особенно выделился один природный материал: перламутр, в раковинах моллюсков, как устрицы и морские ушки (абалоны). Перламутр состоит из микроскопических слоёв, которые делают его одновременно твёрдым и удивительно прочным. Учёные давно восхищаются тем, как хорошо он поглощает силу удара без растрескивания.
Новое исследование, проведённое под руководством профессора гражданского и экологического инжиниринга Шелли Чжан из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и профессора Оле Сигмунда из Технического университета Дании, показывает, как новый материал может сделать вещи, как автомобильные бамперы или защитную экипировку, намного умнее и безопаснее.
Вдохновлённые прочностью перламутра, они разработали синтетические слои, которые реагируют скоординированно и адаптивно.
«Мы пришли к идее разработать многослойные материалы, где каждый слой способен проявлять различные свойства и поведение», — сказала Чжан. Это коллективное поведение знаменует отход от более ранних подходов, которые рассматривали слои как изолированные или статичные.
В новой конструкции слои активно взаимодействуют, изменяя то, как воздействующая сила проходит через материал.
Использование выпучивания как функции
Выпучивание (бакление) — это то, что происходит, когда материал внезапно изгибается или разрушается под давлением, как когда металлическая банка сминается под слишком большой силой.
В большинстве случаев это сигнализирует о поломке. Но исследователи используют его как контролируемую реакцию.
В зависимости от удара синтетические слои выпучиваются поэтапно. Эта поэтапная реакция помогает распределить силу и поглотить больше энергии, чем традиционные ударопоглощающие материалы.
«Работа родилась из обсуждения с моим соавтором, профессором Сигмундом, о том, что мы уже можем достичь некоторых очень экстремальных поведений, но всегда существует физический предел или верхняя граница, которую могут достичь отдельные материалы, даже с программированием», — сказала Чжан.
«Это привело нас к размышлениям о том, какой вид инжиниринга мог бы обеспечить некоторые из безумных материальных поведений, необходимых в реальной жизни. Например, экстремальное поведение при выпучивании могло бы помочь рассеивать энергию для таких вещей, как автомобильные бамперы».
Программирование на микроуровне изменяет правила
Исследователи не просто назначили свойства каждому слою. Они запрограммировали микроуровневые соединения между ними, создав материал, который действует как единый, интеллектуальный блок.
«Наша новая структура представляет несколько преимуществ по сравнению с существующими методологиями для нелинейных зависимостей напряжение-деформация», — сказала Чжан.
«Она оптимизирует подобные перламутру множественные слои вместе с их взаимосвязями в непрерывной установке, что значительно расширяет пространство проектирования по сравнению с аналогичной работой с использованием однослойной установки или решётчатых структур».
Когда команда создала физические прототипы, материалы не вели себя точно так, как предсказывали модели.
Но исследователи восприняли это как полезное открытие.
«Несоответствие, которое мы обнаружили, — это то, что всегда будет происходить в реальной жизни. Но мы можем использовать эту информацию, чтобы намеренно программировать последовательность выпучивания каждой из отдельных ячеек в сборке, хранить некоторую информацию внутри, а затем мы можем расшифровать эту информацию. Было увлекательно зафиксировать это несоответствие, и в итоге оно предоставило информацию, необходимую для улучшения».
Чжан говорит, что крупномасштабное производство по-прежнему остаётся препятствием. Но основная идея уже является прорывом. «Я думаю, что с материалами происходит то же самое.
Когда разные материалы коллективно работают вместе, они могут делать вещи, которые гораздо более эффективны, чем если бы они делали что-то индивидуально».
Поделись видео: