Инженеры из Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали новую технологию создания бетонных конструкций, которая использует тросы для создания опалубки. Разработчики утверждают, что такая технология позволяет создавать конструкции необычной формы и экономить большой объем материалов. Авторы технологии продемонстрировали ее в действии, построив конструкцию сложной формы высотой в семь с половиной метров. Об этом сообщается в пресс-релизе ETH.
Большинство зданий создается из бетона с использованием стальных армирующих конструкций. Для этого вокруг арматуры создают опалубку — временные конструкции, удерживающие бетон при застывании. Как правило, при этом используется большое количество поддерживающих конструкций, а создавать таким методом элементы зданий сильно изогнутой, но ровной формы, довольно затруднительно.
Инженеры из Швейцарии создали прототип крыши здания необычной изогнутой формы, использовав новую технологию. Как и в традиционных методах, они использовали временные поддерживающие конструкции. Для начала из дерева собираются располагаемые по периметру крыши конструкции. В отличие от других методов, поддержку основной части крыши осуществляет специальная сеть из стальных тросов, натянутая внутри деревянного периметра, и имеющая ту же форму, что и конечная крыша. На нее прикрепляется полимерная пленка, служащая в качестве опалубки. Затем на пленку кладется армирующая сетка, на которую и наносится бетон с помощью распыления. После затвердевания бетона, поддерживающую сеть можно удалить и использовать повторно, пересобрав для новой конструкции. Технология и процесс строительства прототипа наглядно представлены на следующем видео:
Построенная инженерами крыша сложной формы достигает семи с половиной метров в высоту и имеет общую площадь поверхности около 160 квадратных метров, при этом толщина бетона составляла от трех до двенадцати сантиметров. Инженеры отмечают, что такая технология имеет несколько преимуществ. Она позволяет экономить значительный объем материала при строительстве конструкций сложной формы, а также оставляет незанятым место под ними в процессе строительства. Стоит отметить, что на создание конструкции у инженеров ушло полгода.
Это не первая разработка инженеров из Швейцарской высшей технической школы Цюриха в области строительства. В прошлом году они представили строительного робота, способного собирать армирующие стальные конструкции для заливки бетоном. Также в прошлом году американские инженеры представили новый тип бетона, содержащий магнетит, металлические опилки и углеродные частицы, благодаря которым он способен проводить электрический ток и служить аналогом клетки Фарадея, не пропускающей электромагнитное излучение внутрь построенного из него здания.
Григорий Копиев
Гидрогели показали способность к саморегуляции
Финские исследователи разработали систему из двух расположенных рядом гидрогелей, которая способна к саморегуляции и поддерживает свою температуру в узком диапазоне значений несмотря на меняющиеся внешние условия — прямо как живые организмы. Ученые поместили два гидрогеля в стеклянную трубку и светили на один из них лазером. Затем пучок света отражался от зеркала и нагревал второй гель, который передавал тепло первому. Он мутнел и переставал пропускать луч, а вся система охлаждалась. Тогда процесс начинался снова. Это не только сохраняло стабильное состояние материала, но и позволило ученым создать несколько интересных механизмов, которые динамически реагируют на окружающую среду и даже прикосновения. В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, они говорят, что такая технология — важный шаг в развитии интерактивных материалов и мягкой робототехники. Способность открытой системы сохранять относительное постоянство своего внутреннего состава и свойств при взаимодействии с окружающей средой называют гомеостазом. Для его поддержания биологические структуры от отдельных клеток до целых организмов используют петли обратной связи — ответные реакции на действие внешних факторов. Например, люди сохраняют температуру тела, которая вне зависимости от сезона или времени суток колеблется в небольшом промежутке значений от 36,6 до 37 градусов. Если становится слишком жарко, мы потеем, чтобы остыть. Также в постоянном диапазоне находятся наше кровяное давление и частота сердечных сокращений. Другой пример — циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи, у животных и растений, которые называют циркадными ритмами. Эти гомеостатические системы делают живые организмы устойчивыми к изменению внешних условий. Подобные биологические процессы в биологических организмах, например то, как растения реагируют на механические раздражители, вдохновляют исследователей на создание динамических синтетических материалов. Например, исследователи прогнозируют создание материи, которая может взаимодействовать с окружающей средой, реагируя на внешние раздражители и адаптируя свою внутреннюю структуру. Однако для того, чтобы имитировать поведение живых организмов в неравновесных условиях, нужно достичь большего понимания физических и химических реакций в петлях обратной связи гомеостатических систем. Шаг к созданию материалов нового поколения сделали ученые из Университета Аалто и Университета Тампере под руководством Хан Чжана (Hang Zhang) и Хао Цзэна (Hao Zeng). Они разработали систему, состоящую из двух расположенных рядом гидрогелей с разными свойствами, которые взаимодействуют между собой и сохраняют свое состояние, в данном случае — температуру, в пределах узкого диапазона значений. При этом даже сами гели, состоящие из мягких полимеров, набухающих в воде, похожи на ткани организмов — как правило, мягкие, эластичные и деформируемые. Ученые ковалентно поместили два сопряженных нанофункционализированных гидрогеля в стеклянную трубку, чтобы предотвратить набухание. Через один из гелей, чувствительный к температуре и состоящий из термочувствительного полимера Поли(N-изопропилакриламид) с наноканалами, проходил лазерный луч. При температуре первого геля ниже нижней критической — около 36 градусов — он прозрачен. Лазерный пучок с длиной волны 532 нанометров беспрепятственно проходит через него. Затем свет отражался от зеркала, которое закрепили перед системой, и попадал на второй, светопоглощающий полиакриламидный гель, содержащий наночастицы золота. Они нагревались и гель постепенно передавал тепло первому гелю, который, соответственно, постепенно нагревается. Однако как только температура превышала нижнюю критическую, происходил фазовый переход, и гель начинал терять свою прозрачность. Это изменение не позволяло лазеру проникать через него и достигать зеркала, а соответственно, нагревать второй гель. В результате оба гидрогеля начинали охлаждаться до тех пор, пока первый снова не становился прозрачным, пропускал луч света, и весь процесс начинался снова. В результате расположение лазера, гелей и зеркала создавало петлю обратной связи, которая поддерживала определенную температуру системы — она колебалась, но оставалась в пределах небольшого и устойчивого к внешним стимулам диапазона. Для того, чтобы проверить эту устойчивость, ученые имитировали влияние на систему распространенных явлений естественной среды — ветра и воды. Они охлаждали гели с помощью направленного потока воздуха, и даже слабый воздушный поток 0,3 ± 0,1 метра в секунду приводил к увеличению среднего значения и амплитуды температуры нагрева, при этом температура в точке пропускания осталась на уровне около 36 градусов — система адаптировалась, компенсируя потери тепла. Также исследователи изменяли мощность луча лазера и расстояние между пятном нагрева и точкой пропускания. Эффект был таким же. Так они доказали, что чрезмерно сильные стимулы могут временно вывести систему из устойчивого состояния, но после их устранения она возвращается к начальным условиям. Ученые попробовали использовать различные красители, которые служили индикаторами достижения гелями определенных температур — так они продемонстрировали потенциал разработки для визуальной сигнализации. Они продвинулись еще дальше и в ряд разместили на трубках жидкокристаллические эластомеры, которые выглядели как вертикальные плавники и деформировались при нагреве трубок. Циклические колебания температуры системы заставляли плавники двигаться, но не синхронно, а с задержкой в несколько секунд, поскольку находились они на разных расстояниях от пятна нагрева. Когда на вершинах плавников разместили маленький кусок бумаги, из-за колебаний он стал горизонтально смещаться. Скорость поступательного движения была всего 200 микрометров в минуту, но так ученые показали, что их разработку можно использовать для создания автономных активных транспортных систем. Затем исследователи создали две системы, которые реагируют на механические раздражители. Определенное прикосновение к гелям выталкивало их из устойчивого состояния, а происходящее в результате изменение температуры вызывало деформацию механических компонентов, расположенных на трубке. В одном случае реакцию и деформацию механического компонента вызывало одно прикосновение — так же мимоза стыдливая (Mimosa pudica) складывает листья при поглаживании. В другом — только на повторяющиеся прикосновения, такой механизм напоминает венерину мухоловку (Dionaea muscipula), которой нужно дотронуться дважды за 30 секунд, чтобы она захлопнулась. В результате система вела себя гомеостатически, как живой организм, а проведенные эксперименты продемонстрировали, что ее можно использовать при создании автономных датчиков, умных материалов или мягких роботов. Гидрогели пригождаются ученым в самых разных сферах. Например, они могут поглощать воду из воздуха, помогают перенести фрагменты мягких тканей без повреждения и даже повышают эффективность вакцин.