Morskie gąbki żyjące w głębinach oceanicznych zdają się przeczyć podstawowym prawom mechaniki – ich lekkie szkielety mają zadziwiającą odporność na złamania. Jednym z najbardziej fascynujących gatunków jest Euplectella aspergillum, zwana koszyczkiem Wenery.
Czytaj też: Ten nowy supermateriał jest aż 8 razy wytrzymalszy od grafenu
Analizując jej strukturę, naukowcy z australijskiego RMIT University odkryli, że szkielet tej gąbki oparty jest na podwójnej kratownicy, która nie tylko zapewnia wysoką wytrzymałość, ale także wykazuje właściwości auksetyczne. Jest to zdolność do zachowywania grubości pod wpływem sił ściskających, w przeciwieństwie do większości materiałów, które w takich warunkach stają się cieńsze.
Gąbki skrywają sekret materiałów przyszłości
Tradycyjne materiały kratownicowe, choć od lat stanowią fundament budownictwa, mają swoje ograniczenia. Są mocne, ale często zawodzą w warunkach ekstremalnych obciążeń dynamicznych, takich jak silne wstrząsy, gwałtowne zmiany temperatury czy długotrwałe naprężenia mechaniczne. Ich struktura, choć skuteczna w przenoszeniu standardowych sił, nie zawsze radzi sobie z rozpraszaniem energii w sposób wystarczająco efektywny, co prowadzi do stopniowej degradacji i w konsekwencji – do pęknięć oraz osłabienia konstrukcji.
Czytaj też: Te materiały odpychają wodę z genialną skutecznością. Ich doskonałe właściwości bardzo nam się przydadzą
Poszukując nowatorskich rozwiązań, australijscy uczeni stworzyli syntetyczny materiał oparty na strukturze szkieletu koszyczka Wenery, nazwany Bio-inspired Lattice Structure (BLS). Nowa podwójna kratownica wykazuje właściwości znacznie przewyższające dotychczasowe materiały o podobnym zastosowaniu.
Przeprowadzone testy wykazały, że BLS jest aż 13 razy sztywniejszy niż obecnie stosowane materiały auksetyczne, takie jak te używane w stentach sercowych. Co więcej, może odkształcać się o 60 proc. bardziej, zanim zacznie pękać, co czyni go niezwykle odpornym na ekstremalne warunki użytkowania. Dodatkowo wykazuje o 10 proc. wyższą zdolność do absorpcji energii, co sprawia, że doskonale nadaje się do konstrukcji narażonych na duże wstrząsy i obciążenia dynamiczne, takich jak mosty, wieżowce czy budynki w obszarach sejsmicznych. To odkrycie otwiera nowe perspektywy dla inżynierii materiałowej i może znacząco przyczynić się do powstania bardziej trwałych i bezpiecznych konstrukcji w przyszłości.
Dr Jiaming Ma z RMIT University mówi:
Podczas gdy większość materiałów staje się cieńsza, gdy są rozciągane, nasze rozwiązanie zachowuje stabilność, co pozwala na znacznie lepsze rozpraszanie energii.
Aby sprawdzić skuteczność nowego projektu, naukowcy wykonali jego próbki w technologii druku 3D, wykorzystując termoplastyczny poliuretan (TPU 95A). Wyniki opisane w czasopiśmie Composite Structures okazały się niezwykle obiecujące, dlatego kolejny etap badań obejmuje testy konstrukcji stalowych opartych na tej samej architekturze.
Prof. Mike Xie z RMIT University wyjaśnia:
Pracujemy nad tym, aby nasz materiał mógł być stosowany w budownictwie, zmniejszając zużycie stali i cementu, a jednocześnie zapewniając większą wytrzymałość. Jego unikalne właściwości mogą także pomóc w tłumieniu drgań podczas trzęsień ziemi.
Choć głównym celem badaczy jest wykorzystanie struktury BLS w budownictwie, ich odkrycie może mieć znacznie szersze zastosowanie. Nowy materiał mógłby znaleźć miejsce w produkcji lekkich, ale wytrzymałych osłon ochronnych dla sportowców, a także w sprzęcie medycznym, który wymaga połączenia elastyczności i wysokiej odporności mechanicznej.