Исследователи разработали супрочные метаматериалы по образцу стеклянных губок

Учёные из Калифорнийского университета в Беркли, Гарварда и Стамбульского технического университета разработали метод создания сверхпрочных и легких материалов, вдохновленных структурой морских стеклянных губок. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Стеклянные губки вида Euplectella aspergillum обитают на глубине свыше двух километров в Тихом океане и существуют тысячи лет. Их организм состоит из кремнеземных волокон, обладающих уникальной комбинацией легкости, прочности и гибкости. Ученые адаптировали эту природную архитектуру для создания искусственных метаматериалов — композитных материалов с инженерно спроектированной структурой, имеющей свойства, отсутствующие в природе. tella aspergillum

Команда применила компьютерное моделирование методом конечных элементов и вычислительную гидродинамику для анализа поведения жидкости вокруг конструкций. Автоматизированная система смоделировала сотни вариантов структуры, оптимизируя каждый с целью максимизации прочности при одновременном снижении вибраций. Затем образцы были напечатаны на 3D-принтере методом стереолитографии и протестированы в лабораторных условиях.

Результаты превзошли ожидания исследователей. Оптимизированные решетчатые конструкции показали увеличение критической нагрузки при изгибе на 140 процентов по сравнению с базовыми вариантами. При этом материалы снизили сопротивление потока, подъемную силу и вихреобразование с пористостью всего пять процентов.

Разработанный подход решает критическую инженерную задачу: когда воздушные или водяные потоки обтекают объекты, они создают вихри, вызывающие опасные колебания. Небоскребы на сильном ветру, детали самолетов и подводные трубопроводы могут разрушиться под воздействием таких вибраций. Новая конструкция позволяет потокам плавно проходить через материал, минимизируя колебания без добавления веса.

Профессор Костас Григоропулос отметил, что впервые в проектировании метаматериалов удалось одновременно оптимизировать структурные и гидродинамические характеристики. Это открывает применение в авиаконструкции, морских сооружениях и микромедицине, включая имплантируемые стенты.

Технология метаматериалов с биомиметическим дизайном представляет значительный потенциал для создания конструкций, способных выдерживать экстремальные условия при минимальном весе, что критично для энергоэффективности современной инженерии.

Источник: newatlas