Морская губка вдохновила ученых на создание сверхпрочного сжимаемого материала. Вдохновившись примером скромной глубоководной губки, инженеры Университета RMIT разработали новый материал с выдающейся прочностью на сжатие и жёсткостью, который может улучшить архитектурные решения и дизайн продукции. Дизайн двойной решётки был вдохновлён сложным скелетом глубоководной губки, известной как "цветочная корзина Венеры", которая обитает в Тихом океане.

Ведущий автор последнего исследования структуры RMIT, доктор Цзямин Ма, сказал, что обширное тестирование и оптимизация выявили впечатляющее сочетание жёсткости и прочности структуры в сочетании со способностью сжиматься при сжатии. Именно этот последний аспект, известный как ауксическое поведение, открывает целый ряд возможностей для применения конструкции в строительстве и других областях.

В то время как большинство материалов при растяжении становятся тоньше, а при сжатии — толще, как резина, аукситы ведут себя наоборот. Ауксиетики могут эффективно поглощать и распределять энергию удара, что делает их чрезвычайно полезными.

Цзямин Ма, ведущий автор

К натуральным ауксилирующим материалам относятся сухожилия и кошачья кожа, а синтетические используются для изготовления стентов для сердца и сосудов, которые расширяются и сжимаются по мере необходимости. Но, несмотря на полезные свойства аукситных материалов, их низкая жёсткость и ограниченная способность поглощать энергию ограничивают их применение. Разработанная командой двойная решётка, вдохновлённая природой, имеет большое значение, поскольку она устраняет эти основные недостатки.

Каждая решётка сама по себе обладает традиционными свойствами деформации, но если вы объедините их так, как это делает природа в глубоководной губке, то она будет саморегулироваться, сохранять форму и значительно превосходить аналогичные материалы.

Цзямин Ма, ведущий автор

Результаты, опубликованные в "Композитных конструкциях", показывают, что при том же расходе материала решётка в 13 раз жёстче, чем существующие аукситные материалы, в основе которых лежат сотовые конструкции. Он также может поглощать на 10% больше энергии, сохраняя при этом ауксическое поведение с диапазоном деформации на 60% больше по сравнению с существующими конструкциями.

Доктор Нгок Сан Ха сказал, что уникальное сочетание этих свойств открывает несколько интересных возможностей для применения их нового материала. Эксперт указал, что  вдохновлённая биологией ауксетическая решётка обеспечивает наиболее прочную основу для разработки экологичных зданий нового поколения. Он добавил, что созданный ауксический метаматериал с высокой жёсткостью и способностью поглощать энергию может принести значительную пользу в различных отраслях, от производства строительных материалов до защитного снаряжения, спортивной экипировки и медицины.

Решётчатая конструкция, вдохновлённая природой, может использоваться, например, в качестве каркаса здания из стали, что позволяет использовать меньше стали и бетона для достижения тех же результатов, что и при использовании традиционного каркаса. Эта конструкция также может стать основой для лёгкого спортивного защитного снаряжения, бронежилетов или медицинских имплантатов.

Почётный профессор Майк Се сказал, что проект подчёркивает ценность вдохновения, которое можно черпать в природе. Специалист добавил, что миомимикрия не только создаёт красивые и элегантные конструкции, подобные этой, но и умные конструкции, оптимизированные в ходе миллионов лет эволюции, на примере которых мы можем учиться.

Следующие шаги

Команда Центра инновационных конструкций и материалов RMIT протестировала конструкцию с помощью компьютерного моделирования и лабораторных испытаний на 3D-печатном образце из термопластичного полиуретана. Теперь они планируют выпускать стальные версии конструкции для использования вместе с бетонными и земляными конструкциями — методом строительства с использованием уплотнённого природного сырья.  Доктор Цзямин Ма заиетил, что хотя конструкция может найти применение в спортивном снаряжении, средствах индивидуальной защиты и медицине, основное внимание мы уделяем строительству.

Мы разрабатываем более экологичный строительный материал, используя уникальное сочетание выдающейся прочности, жёсткости и энергопоглощения нашей конструкции, чтобы сократить использование стали и цемента в строительстве. Его свойства поглощать энергию и вибрации также могут помочь уменьшить колебания во время землетрясений.

Цзямин Ма, ведущий автор

Команда также планирует интегрировать этот дизайн с алгоритмами машинного обучения для дальнейшей оптимизации и создания программируемых материалов.

Телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал, как две инопланетные планеты разрушаются на глазах.

Фото: Университет RMIT