Дослідники розробили багатошарову структуру матеріалу, яка відтворює захисні характеристики черепашок.

Інженери створили новий синтетичний матеріал, що імітує багатошарову будову морських черепашок, щоб підвищити ефективність поглинання ударної енергії. Цей інноваційний винахід має потенціал значно поліпшити захисні характеристики автомобільних бамперів і медичних пов'язок.

Протягом мільйонів років еволюція дозволила деяким морським істотам сформувати складні захисні структури, що складаються з кількох рівнів, які спільно виконують функцію розподілу фізичного навантаження. Нещодавно інженери відкрили спосіб імітувати поведінку таких багатошарових матеріалів, зокрема перламутрових мушель, шляхом програмування окремих шарів синтетичного матеріалу на координацію своїх дій під час навантаження.

Дослідження провели професорка Шеллі Чжан з кафедри цивільної та екологічної інженерії Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн та професор Оле Сігмунд з Технічного університету Данії. Висновки їхньої роботи були опубліковані в науковому журналі Science Advances.

Ця дослідження виникло внаслідок розмови з професором Сігмундом, в якій ми дійшли висновку, що хоча ми вже досягли певних екстремальних характеристик, завжди існують фізичні обмеження, які не дозволяють матеріалам перевищувати певні межі, навіть якщо їх налаштувати через програмування, - зазначає Чжан. "Це спонукало нас задуматися про можливі інженерні рішення, які могли б надати матеріалам унікальні властивості, що можуть бути корисними в практичних застосуваннях. Наприклад, екстремальна реакція на згинання може сприяти ефективному розподілу енергії в таких елементах, 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 пропонує ряд переваг у порівнянні з існуючими методами, що використовуються для аналізу нелінійних реакцій на напруження та деформацію," – підкреслює дослідниця. "Вона вдосконалює множинні шари, схожі на перламутр, разом із їхніми взаємозв'язками в безперервній конфігурації, що значно розширює можливості проєктування в порівнянні з аналогічними дослідженнями, що базуються на одношарових чи ґратчастих структурах."

У процесі створення проекту команда здобула цінний досвід. Основна концепція цієї роботи полягала в розробці матеріалу з безмежною періодичністю. Однак, на практиці, команді довелося виготовляти обмежені одиниці, що призвело до очікування різних властивостей між теоретичною моделлю і реально створеним матеріалом.

"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".

Несмотря на то, что для масштабирования производства таких материалов еще предстоит проделать много работы, Чжан подчеркивает, что одним из ключевых выводов этого исследования является важность сотрудничества. "Я уверена, что это также применимо к материалам", — добавляет она. "Когда различные материалы объединяются и действуют совместно, они способны достигать результатів, які мають набагато більший вплив, ніж коли діють окремо".