Инженеры воссоздали уникальную ударопрочную структуру морских раковин
Раковины крупных брюхоногих моллюсков невероятно прочны. Они должны выдерживать многократные удары о камни и другие образования в ходе приливов и отливов. Долгое время инженеры смотрели с восхищением на это создание природы и мечтали разработать материал с такими же или хотя бы близкими свойствами.
Успеха удалось добиться команде Массачусетского технологического института во главе с Маркусом Бюлером (Markus Buehler). Учёные раскрыли секреты уникальной структуры самого прочного типа раковин и смогли воссоздать её с помощью технологии трёхмерной печати. Новый материал позволит изготавливать самые прочные шлемы и бронежилеты.
Источником вдохновения для инженеров стали раковины, которые в английском языке объединены общим названием "conch". Они закручены по спирали и имеют выдающийся завиток в верхней части, при этом перламутровый слой у них отсутствует. Такими раковинами обладают стромбиды, рапаны и некоторые другие брюхоногие моллюски. Они жёстче перламутровых как минимум в десять раз.
Описанные раковины имеют уникальную трёхуровневую структуру, причём волокна в слоях расположены по-разному. В итоге образуется зигзагообразная матрица, которая защищает оболочку от распространения любых микротрещин. Но даже после того, как тайна прочности раковин была раскрыта, исследователям не удавалось воссоздать нечто подобное в искусственном материале. Решением стала новая технология трёхмерной печати.
Перед командой также стояла ещё одна важная проблема – структура нового материала должна быть контролируемой. Это необходимо для получения на выходе продукта с чётко заданными свойствами, а не случайными, которые потом будет невозможно воспроизвести. Поэтому в качестве основы были взяты композитные материалы, а не природные.
Все разработанные прототипы проходили проверку на ударную вязкость. Этот показатель используется для оценки того, насколько быстро материал поглощает механическую энергию под действием ударной нагрузки. В ходе экспериментов образцы, которые повторяют не только структуру природного аналога, но и его геометрию, на 85% лучше противостояли распространению трещин, чем основной материал в чистом виде.
В пресс-релизе MIT ведущий автор исследования Грейс Гу (Grace Gu) отмечает, что полученное сочетание прочности и ударной вязкости материала как нельзя лучше подходит для создания защитных шлемов, бронежилетов и других аналогичных предметов. А технология трёхмерной печати позволит изготавливать их индивидуально для каждого человека.
Результаты работы были описаны в статье, которая опубликована в журнале Advanced Materials.
Напомним, что ранее при разработке сверхпрочных композитных материалов вдохновением служили и "кулаки" рака-богомола, а в качестве составляющих для брони предлагалось использовать металлическую пену, графен и некоторые другие.