Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Стеклянная губка помогла упрочнить квадратную решетку

Matheus C. Fernandes et al. / Nature Materials, 2020

Инженеры из Гарварда вдохновились строением стеклянных губок Euplectella aspergillum (квадратная решетка со смещенными диагональными распорками), напечатали конструкцию с наибольшим критическим напряжением среди квадратных решеток вне зависимости от направления нагрузки. Ученые промоделировали квадратные решетки с разным расположением распорок и обнаружили, что у губок строение самое оптимальное. Статья, согласно которой можно будет добиваться нужной жесткости квадратной структуры с помощью добавления диагональных распорок, опубликована в журнале Nature Materials.

Сетчатые решетки используют в инженерных целях за их сниженный вес, высокое поглощение энергии и их способность контролировать распространение акустических и тепловых волн. Самая эффективная решетка в двумерном случае — гексагональная, в то время как квадратная неустойчива к нагрузке с поперечной компонентой. Чтобы решить эту проблему, ученые как раз добавляют диагональные перемычки между вершинами квадратов.


Такое же решение использует и природа. Скелетные иглы стеклянных губок Euplectella aspergillum, проживающих на дне океана, состоят из центрального белкового остова и концентрических чередующихся слоев органики и наночастиц оксида кремния. В свою очередь скелетные иглы образуют периодичную квадратную решетку, укрепленную парами смещенных диагональных иголок, что предотвращает распространение трещин и увеличивает прочность на изгиб.

Матеус Фернандес (Matheus C. Fernandes) с коллегами из Гарвардского университета вдохновился устройством стеклянных губок и решил оптимизировать их структуру для инженерных целей. Для начала исследователи изучили механические свойства решетки стеклянной губки и напечатали на 3D принтере подобные конструкции из резины (FLX9795-DM): структуру губки из квадратной решетки и четырех диагональных распорок, смещенных от узла; структуру из квадратной решетки с диагональными распорками, расположенными в шахматном порядке; структуру, заполненную диагональными распорками; и простую квадратную решетку.


При испытании на сжатие ученые выделили несколько особенностей: на первом этапе сжатия каждая из структур показывала схожий отклик — значит, диагональная распорка не изменяет общую жесткость конструкции. Лишь для образца без диагоналей за счет утолщения иголок жесткость оказалась немного выше. Каждый из образцов продемонстрировал максимум на зависимости относительной деформации от напряжения — при том самую высокую нагрузку выдержала конструкция губки.

Чтобы понять, почему геометрия губки обладает настолько эффективным механическими свойствами, ученые провели моделирование методом конечных элементов. В ходе моделирования исследователи использовали модель несжимаемого неогукова твердого тела с модулем сдвига в 14,5 мегапаскаль. Свое моделирование ученые сравнили с реальными испытаниями — до максимальной нагрузки оценка достаточно точна.

Затем авторы статьи расширили моделирование для нагрузок по разным направлениям, при этом, чтобы упростить вычисления, они моделировали поведение репрезентативной ячейки с периодическими граничными условиями. Для структур с диагональными распорками жесткость была одинаковой для любого направления нагрузки. Для направления нагрузки от 27 до 63 градусов к нормали самой высокой эффективной критической нагрузкой обладает простая квадратная решетка без упрочнения, однако при рассмотрении ограниченного количества ячеек рекордсменом стала структура губки.

После этого ученые задались вопросом — какое количество диагональных элементов оптимально. Для этого они смоделировали поведение решеток 3×3, в которых меняли количество диагональных распорок от одной до семи: самое оптимальное количество — две, как и у губок. Таким образом, авторы продемонстрировали способ получить конструкцию с нужной механической жесткостью без добавления новых материалов - например, более легкие дома и мосты при той же прочности.


Стеклянные губки интересуют ученых не только особенностями строения тела, но и своими корнями: пять лет назад материаловеды выяснили, благодаря чему стеклянные губки Euplectella aspergillum крепятся к скалам настолько прочно — все дело в концентрическом строении иголок.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.