Инженеры из Университета RMIT (Австралия) разработали инновационный материал с выдающейся прочностью и жесткостью, способный сжиматься под давлением. Вдохновением для создания материала послужила структура скелета глубоководной губки Euplectella aspergillum, обитающей в Тихом океане.
Новый материал, основанный на двойной решетчатой структуре, демонстрирует уникальные свойства, сочетая высокую жесткость, прочность и способность к сжатию. Это так называемое ауксетическое поведение, при котором материал расширяется при растяжении и сжимается при сдавливании, открывает широкие возможности для его применения в строительстве, медицине, спортивном оборудовании и других областях.
«Большинство материалов становятся тоньше при растяжении или толще при сжатии, как резина. Ауксетики же ведут себя наоборот, что позволяет им эффективно поглощать и распределять энергию удара», — объясняет ведущий автор исследования, доктор Цзямин Ма.
Природные ауксетики, такие, как сухожилия и кожа кошек, уже давно известны науке. Однако синтетические аналоги, используемые, например, в сердечных стентах, обладают низкой жесткостью и ограниченной способностью поглощать энергию. Новая разработка команды RMIT преодолевает эти ограничения, предлагая материал, который в 13 раз жестче существующих ауксетиков на основе классической сотоподобной структуры.
Результаты исследования, опубликованные 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.
«Каждая решетка в отдельности демонстрирует традиционное поведение при деформации, но их комбинация, как в случае с глубоководной губкой, позволяет материалу саморегулироваться и сохранять форму, значительно превосходя аналоги», — отмечает доктор Ма.
Потенциальные области применения материала включают строительство, где он может стать основой для стальных каркасов зданий, позволяя сократить использование стали и бетона. Также материал может быть использован для создания легкого защитного спортивного снаряжения, бронежилетов или медицинских имплантатов.
«Этот биоинспирированный ауксетический материал открывает новые горизонты для создания устойчивых строительных конструкций следующего поколения», — говорит доктор Нгок Сан Ха.
Команда уже протестировала дизайн с помощью компьютерного моделирования и 3D-печати на основе термопластичного полиуретана. Следующим шагом станет создание стальных версий материала для использования в сочетании с бетоном и утрамбованной землей.
«Мы сосредоточены на применении материала в строительстве, чтобы сократить использование стали и цемента. Его ауксетические свойства также могут помочь гасить вибрации во время землетрясений», — добавляет доктор Ма.
Ученые также планируют интегрировать разработку с алгоритмами машинного обучения для дальнейшей оптимизации и создания программируемых материалов.
Исследование подчеркивает ценность бионики — науки, черпающей вдохновение в природе для создания инновационных и устойчивых решений.
