Октаэдрическая кольчуга изменила жесткость под давлением

Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Материаловеды из Сингапура и США разработали кольчужную ткань, состоящую из слоев скрепленных октаэдрических частиц, которая способна увеличивать свою жесткость в 25 раз при сжатии. Моделирование показало, что кольчуги из частиц в форме различных геометрических фигур при сжатии испытывают фазовый переход с заклиниванием, который описывается степенной зависимостью модуля упругости от числа контактов между частицами, пишут ученые в Nature.

Сегодня умные ткани уже умеют генерировать и накапливать энергию, считывать и регулировать температуру, а также выполнять некоторые функции смартфонов. В большинстве случаев умные ткани либо приобретают свои полезные свойства при внедрении в обычную ткань гибкой электроники (к примеру нитевидных проводников и гибких электросхем), либо обладают ими с момента производства в зависимости от состава и геометрии исходного материала без возможности изменения. Ткани с регулируемыми механическими свойствами могли бы выполнять роль фиксаторов частей тела в медицинских целях, однако большинство из ныне известных концептов либо небезопасны, либо неудобны на практике.

Ученые под руководством Ифана Вана (Yifan Wang) из Калифорнийского технологического Института сделали ткань, способную плавно менять свою жесткость и сохранять различные формы при наложении избыточного давления. Для изготовления умной ткани физики печатали с помощью селективного лазерного спекания листы кольчуги в виде скрепленных между собой с четырех сторон полых октаэдров, затем помещали два листа стопкой в герметичную гибкую оболочку и откачивали воздух. При этом давление оболочки на листы вызывало уплотнение и заклинивание октаэдров внутри кольчуг и между слоями.

В ходе испытаний на изгиб при повышении давления оболочки с 0 до 93 килопаскалей модуль упругости образца монотонно увеличивался, пока не достигал значения, в 25 раз превышающего исходное. Примечательно, что объем при сжатии уменьшался не более чем на 5 процентов, поскольку заклинивание представляет собой резкий фазовый переход с небольшим изменением плотности укладки частиц. 

Для сравнения ученые провели моделирование эксперимента для тканей из сцепленных и несцепленных октаэдров. Выяснилось, что сцепленная ткань превосходит несцепленный аналог, демонстрируя более высокий модуль упругости при том же давлении оболочки. Такое поведение объясняется большим числом контактов между ребрами октаэдров в связанном состоянии, не только из-за сцепления при растягивании пары частиц, но и за счет внутренних контактов при вдавливании одной частицы в другую.

Моделирование также помогло ученым исследовать свойства кольчуг из частиц в форме других невыпуклых трехмерных фигур, а также обычных кольчуг из колец и квадратов. Для всех типов тканей зависимость модуля упругости от числа контактов между частицами подчинялась степенному закону, как предсказывает теория фазового перехода заклинивания. Особо жесткими оказались кольчуги из двумерных частиц, что связано с более плотным расположением частиц при сжатии, и что, однако, сказывается на весе изделия. Полученная степенная зависимость, по словам авторов, может помочь технологам оптимально сбалансировать вес и жесткость изделия, выбирая соответствующую форму частиц и давление оболочки.

Возвращаясь к октаэдрической кольчуге, авторы свернули умную ткань в виде стола и арки и зафиксировали форму увеличением давления оболочки, чтобы затем исследовать полученные фигуры на прочность. В результате конструкции выдержали грузы, в 30 раз превышающие их собственный вес, что особенно важно для практического применения, где ткани, возможно, должны будут повторять формы человеческого тела или формировать сложную архитектуру. Также ученые провели испытания на ударопрочность, сбрасывая на установленный на двух опорах образец ткани шарик из нержавеющей стали. Как оказалось, ограничивающее давление оболочки в 67 килопаскалей способно шестикратно снизить деформацию от удара шарика.

Авторы отмечают, что поскольку фазовый переход заклинивания инвариантен относительно масштабирования, подобные структуры могут быть воспроизведены в различных масштабах - от микрометра до нескольких метров, а использование различных исходных материалов позволит применять умную ткань в самых разных областях. Более того, дополнительные альтернативные методы сжатия кольчуги (например, с помощью электрического или магнитного поля) могли бы локально регулировать жесткость ткани для более тонких задач, к примеру в тактильных интерфейсах и для медицинской стимуляции.

Ранее ученые научились выращивать хлопок с магнитными и флюоресцирующими свойствами с помощью модифицированной глюкозы. Примечательно, что данная технология, по словам разработчиков, применима и к другим натуральным тканям.

Елизавета Чистякова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.