Будинок, побудований на кістках: вчені створили надміцний матеріал, натхненний нашим тілом

Дослідники з Прінстонського університету розробили новий матеріал на основі цементу, надихаючись архітектурою людської кістки, особливо міцним зовнішнім шаром, відомим як кортикальна кістка. Повідомляється, що цей інноваційний матеріал у 5,6 разів стійкіший до пошкоджень порівняно зі звичайними цементними матеріалами, що свідчить про значний прогрес у галузі будівельних матеріалів, які можуть почати застосовуватися в майбутньому, пише ScienceDaily.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найцікавіші новини зі світу науки!

Унікальна конструкція дає змогу новому матеріалу витримувати тріщини й уникати раптових катастрофічних руйнувань, що зазвичай характерні для тендітних матеріалів, які використовуються в будівництві. Дослідження, проведене під керівництвом Рези Мойні, доцента кафедри цивільного будівництва та природооблаштування, було опубліковано в журналі Advanced Materials. У ньому детально описується, як включення трубоподібної архітектури в цементну пасту значно підвищує її стійкість до поширення тріщин. Такий підхід не тільки запобігає раптовим руйнуванням, а й покращує здатність матеріалу поступово деформуватися під дією навантажень, що дуже важливо для довговічності будівлі.

Традиційні матеріали на основі цементу часто руйнуються раптово через свою крихкість, що створює проблеми в будівництві, особливо в несучих конструкціях. У своєму рішенні команда з Прінстона використовує принципи механіки руйнування і статистичної механіки для розробки внутрішньої архітектури, яка врівноважує напругу і механічну реакцію на фронті тріщини. Цей дизайн натхненний кортикальною кісткою людини, яка використовує еліптичні трубчасті структури, звані остеонами, для відхилення тріщин, тим самим запобігаючи раптовому руйнуванню і підвищуючи загальну міцність.

Кортикальна кістка може бути майже такою ж міцною, як сталь. Незважаючи на те, що вона набагато легша, її міцність на стиск становить близько 170 МПа (мегапаскалів), що можна порівняти з міцністю на стиск бетону і деяких видів нержавіючої сталі. Ця дивовижна міцність у поєднанні з легкою структурою дає змогу кісткам витримувати вагу нашого тіла і протистояти значним фізичним навантаженням.

У новому розробленому матеріалі циліндричні та еліптичні трубки вбудовані в цементну пасту, контрольовано взаємодіючи з тріщинами, що поширюються. Мойні пояснив, що, незважаючи на початкові очікування, що такі порожнисті структури можуть послабити матеріал, ретельне розроблення геометрії, розміру, форми та орієнтації трубок дає змогу підвищити тріщиностійкість без шкоди для інших властивостей. Цей механізм поетапного зміцнення ефективно розсіює енергію при кожній взаємодії тріщини з трубкою, значно сповільнюючи поширення тріщини і запобігаючи катастрофічному руйнуванню.

Підхід команди з Прінстона відрізняється від традиційних методів, які часто засновані на додаванні волокон або пластику для зміцнення матеріалів на основі цементу. Замість цього вони зосередилися на геометричному дизайні для підвищення міцності, продемонструвавши, що зміна внутрішньої структури матеріалу дає змогу домогтися чудових результатів. Крім того, дослідники представили новий метод кількісної оцінки ступеня безладу в архітектурі матеріалу, що дає більш точне уявлення про його властивості та дає змогу проводити подальшу оптимізацію.

У перспективі дослідницька група вивчає можливість використання передових технологій виготовлення, як-от адитивне виробництво, для подальшого вдосконалення цих трубчастих конструкцій і їхнього можливого масштабування для використання у великомасштабних проєктах цивільної інфраструктури.

Раніше Фокус писав про те, як "ледаче" фізичне навантаження запобігає переломам. Згідно з дослідженням Астонського університету, механічні вібрації можуть допомогти поліпшити роботу наших м'язів і контроль над балансом.

Також Фокус писав про те, що прогулянки з собакою підвищують ризик черепно-мозкових травм. Дослідники прийшли до несподіваного відкриття і тепер просять власників вихованців бути обережнішими під час прогулянок.