Шишки научат крыши автоматически закрываться во время дождя

Немецкие ученые подсмотрели у сосновых шишек механизм, позволяющий подвижным элементам конструкций (например, на крышах или окнах зданий) автоматически закрываться при повышении влажности без внешних источников энергии, говорится в статье, опубликованной в Advanced Materials.

Листья и цветы большинства растений очень чувствительны к изменению внешних условий. Утром при увеличении освещенности листья и цветки раскрываются и поворачиваются к источнику света. Некоторые хищные растения схлопывают свои листья при прикосновении. Во время дождя шишки хвойных деревьев закрываются, вновь раскрываясь при уменьшении влажности. Многие из этих механизмов люди пытаются воспроизвести искусственно в различных материалах и конструкциях. Но обычно все такие устройства имеют очень небольшие размеры: или такие же, как в биологических прообразах, или даже еще меньше.

Группа немецких ботаников, архитекторов и инженеров под руководством Симона Поппинги (Simon Poppinga) из Фрайбургского университета разработала теоретическую базу для создания подвижной конструкции для архитектурных целей, которая функционально повторяет механизм закрывания шишек, но имеет размеры примерно в 10 — 20 раз больше. В качестве материала, чувствительного к влажности, авторы работы предлагают использовать органические гидрогели, которые могут увеличивать свой объем при повышении влажности на 30–50 процентов.

Такой гидрогель исследователи предлагают наносить на поверхность гибкого элемента из резины. В результате при повышении влажности будет расширяться только один из двух слоев, что приведет к искривлению всей структуры и ее «сворачиванию». Из таких двухслойных структур можно собирать сложные системы, состоящие из огромного числа замкнутых ячеек микронного или миллиметрового размера с небольшими разделителями между ними. В результате при изменении влажности происходит анизотропное сжатие, и вся система приходит в движение.

Возможность использования такого подхода определяется скоростью реакции материала на изменение внешних условий. Оказалось, что эта скорость довольно большая, и один элемент размером от 5 микрон до нескольких миллиметров может полностью поменять свою конфигурацию за время от 0,5 до 50 секунд.

Достоинством предложенных материалов является то, что они реагируют непосредственно на изменение внешних условий: температуры, влажности, освещенности или химического состава. Поэтому в качестве одного из возможных применений авторы работы предлагают использовать такие механизмы на крышах стадионов: состоящие из большого количества отдельных элементов, такие крыши будут автоматически закрываться, если, например, начнется дождь или солнце будет светить слишком ярко.

По предположению ученых, разработанные ими механизмы позволят значительно сократить потребление энергии.

Состав и структура природных объектов не только служит источником идей для сложных механизмов, но и в некоторых случаях помогает улучшить свойства материалов, которые используются для строительства. Например, структура морского ежа помогает бетону значительно увеличивать свои прочностные характеристики. А воспроизведя химический состав биссуса мидий, ученые смогли разработать сверхпрочные растягиваемые нити.

Александр Дубов