Науковці створили багатошаровий матеріал, що імітує захисні властивості мушель

Мільйони років еволюції дозволили деяким морським істотам розвинути складні захисні оболонки, що складаються з кількох шарів, які працюють разом для розсіювання фізичного навантаження. Нещодавно інженери знайшли спосіб відтворити поведінку такого багатошарового матеріалу, зокрема перламутру мушель, запрограмувавши окремі шари синтетичного матеріалу на спільну роботу під час навантаження.

Дослідження очолили професорка кафедри цивільної та екологічної інженерії Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн Шеллі Чжан та професор Технічного університету Данії Оле Сігмунд. Результати їхньої роботи опубліковано в науковому журналі Science Advances.

«Ця робота народилася з обговорення з професором Сігмундом того, що ми вже можемо досягти деяких екстремальних властивостей, але завжди існує фізична межа або верхня межа, якої можуть досягти окремі матеріали, навіть із програмуванням», — пояснює Чжан. «Це спонукало нас замислитися над тим, яка інженерна розробка могла б забезпечити деякі незвичайні властивості матеріалів, необхідні в реальному житті. Наприклад, екстремальна поведінка під час згинання могла б допомогти розсіювати енергію в таких речах, як автомобільні бампери».

Саме тоді команда звернула увагу на біологічні матеріали з кількома шарами, кожен з яких виконує різні функції. Вони почали досліджувати можливість створення синтетичного матеріалу з використанням внутрішнього мікромасштабного програмування та оптимізації для контролю його реакції на механічне навантаження.

«Ми зупинилися на ідеї розробки багатошарових матеріалів, де кожен шар здатний проявляти різні властивості та поведінку», — розповідає Чжан. Але команда пішла далі, додавши можливість окремим шарам співпрацювати та фактично поводитися колективно як єдине ціле.

«Наша нова структура має кілька переваг порівняно з наявними методологіями для нелінійних реакцій на напруження та деформацію», — зазначає дослідниця. «Вона оптимізує подібні до перламутру множинні шари разом з їхніми взаємозв'язками в безперервній конфігурації, що значно розширює простір проєктування порівняно з подібними роботами, які включають одношарову конфігурацію або ґратчасті структури».

Під час виготовлення команда отримала важливі уроки. Теоретична ідея цієї роботи полягає в створенні нескінченно періодичного матеріалу. Проте команді довелося виготовляти кінцеві одиниці, і було очікувано, що теоретичний матеріал та фактично виготовлений матеріал матимуть різну поведінку.

«Виявлена розбіжність — це те, що завжди відбуватиметься в реальному житті», — зазначає Чжан. «Але ми можемо використати цю інформацію, щоб навмисно запрограмувати послідовність згинання кожної окремої комірки в збірці, зберегти деяку інформацію всередині, а потім пізніше розшифрувати її. Було захопливо зафіксувати цю розбіжність і використати її для вдосконалення роботи».

Хоча для масштабування виробництва такого типу матеріалу ще потрібно багато роботи, Чжан зазначає, що одним із цінних уроків цього дослідження є те, що коли люди співпрацюють, вони досягають значно більших результатів. «Я думаю, те саме стосується і матеріалів», — додає вона. «Коли різні матеріали працюють разом колективно, вони можуть робити речі, які мають набагато більший вплив, ніж коли вони діють окремо».