Инженеры воссоздали уникальную ударопрочную структуру морских раковин

Инженеры MIT представили новый материал, который противостоит распространению трещин, как морская раковина.

Инженеры MIT представили новый материал, который противостоит распространению трещин, как морская раковина.
Фото Melanie Gonick/MIT.

Композитный материал в чистом виде (слева) и замысловатая структура на его основе, имитирующая раковину брюхоногого моллюска после испытания на ударную вязкость.

Композитный материал в чистом виде (слева) и замысловатая структура на его основе, имитирующая раковину брюхоногого моллюска после испытания на ударную вязкость.
Фото Melanie Gonick/MIT.

Инженеры MIT представили новый материал, который противостоит распространению трещин, как морская раковина.
Композитный материал в чистом виде (слева) и замысловатая структура на его основе, имитирующая раковину брюхоногого моллюска после испытания на ударную вязкость.

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.

Композитный материал в чистом виде (слева) и замысловатая структура на его основе, имитирующая раковину брюхоногого моллюска после испытания на ударную вязкость.

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.