Inżynierowie z California Institute of Technology (Caltech) i Jet Propulsion Laboratory (JPL) stworzyli inspirowany kolczugami materiał, który pod wpływem przyłożonego napięcia zmienia się z miękkiego i giętkiego w sztywny. Materiał taki może przydać się do tworzenia egzoszkieletów czy rusztowań zmieniających swoją sztywność w miarę gojenia się ran. Być może posłuży też do budowy mostów, które można będzie przywieźć na miejsce w rolce, rozwinąć i usztywnić.

Struktura złożona z ośmiościanów foremnych© Caltech

Chcieliśmy stworzyć materiał, który zmienia sztywność na żądanie, mówi profesor Chiara Daraio. Naszym celem było uzyskanie tkaniny, która z miękkiej w kontrolowany sposób staje się sztywna, dodaje. Takie materiały spotykaliśmy dotychczas w literaturze. Dość przypomnieć tutaj kolczugę z mithrilu, którą Frodo otrzymał od Bilba czy pelerynę Batmana z filmu Batman Begins.

W życiu codziennym dość często spotykamy się z materiałami, których sztywność została zmieniona. Wystarczy przypomnieć sobie np. paczkę próżniowo zapakowanej kawy. Jest sztywna i twarda, jednak natychmiast po przebiciu opakowania całość staje się miękka. Takie struktury jak kawa czy piasek mają złożone kształty, nie są ze sobą połączone i mogą usztywniać się tylko pod wpływem kompresji. Z kolei kolczuga, złożona z połączonych metalowych pierścieni może stawać się sztywna zarówno gdy ją ściśniemy, jak i gdy ją rozciągniemy. I to właśnie ta jej właściwość zainspirowała naukowców. Przetestowaliśmy wiele różnych cząstek, by sprawdzić, które są zarówno elastycznej, jak i można nadać im sztywność. Okazało się, że te, które zyskują sztywność tylko podczas jednego z rodzajów przyłożonej siły (ściskania lub rozciągania) nie sprawują się najlepiej, mówi profesor Daraio.

Nowy materiał jest elastyczny i miękki, © Caltech

Uczeni sprawdzili więc całą gamę kształtów, od połączonych pierścieni, poprzez połączone sześciany po połączone ośmiościany foremne, które przypominają dwie piramidy złączone podstawami. W modelowaniu interakcji tego typu struktur brał udział profesor Jose E. Andrade, specjalista od modelowania zachowania materiałów ziarnistych.

Materiały ziarniste to piękny przykład złożonego systemu, w którym proste interakcje na poziomie poszczególnych ziaren mogą przekładać się na złożone zmiany strukturalne całości, mówi Andrade. Naukowcy prowadzili symulacje komputerowe oraz wytwarzali za pomocą drukarek 3D obiecujące struktury i testowali je w laboratorium.

Nowy materiał może zmienić się z elastycznego w sztywny© Caltech

Podczas testów materiały albo ściskano w komorach próżniowych albo zrzucano na nie ciężary. W jednym przypadku taka „kolczuga” utrzymała masę 50-krotnie większą od własnej masy. Testy wykazały, że strukturami o największych zmianach właściwości mechanicznych pomiędzy stanem elastycznym a sztywnym, były struktury o największej średniej liczbie punktów stycznych pomiędzy tworzącymi je elementami.

Tego typu tkaniny mają największy potencjał. Mogą być lekkie, miękkie i wygodne w użyciu, a pod wpływem przyłożonej siły stają się sztywną strukturą, która może wspierać i chronić właściciela, wyjaśnia Yifan Wang, jeden z autorów badań.

Jak już wspomnieliśmy, taki materiał może posłużyć również do budowy mostów. Jak więc spowodować, by coś, co zostało przywiezione w rolce utrzymało ludzi czy pojazdy? Profesor Daraio mówi, że przez taki materiał można np. przeciągnąć liny, za pomocą których materiał zostanie ściśnięty i usztywniony. Te liny będą działały tak, jak troczki, za pomocą których ściągamy np. kaptur, wyjaśnia.

 

 

Źródło: Caltech

 

0 0 votes
Article Rating