Naučnici sa Univerziteta Pensilvanija i Univerziteta Arhus sproveli su istraživanje koje pokazuje da dodavanje kontrolisanog poremećaja u unutrašnju strukturu materijala može više nego dvostruko povećati njegovu otpornost na pucanje. Otkriće bi moglo imati široku primenu u industrijama poput vazduhoplovstva, građevinarstva i proizvodnje zaštitnih materijala, gde je ključna kombinacija čvrstoće i fleksibilnosti.
Priroda kao inspiracija za jače materijale
Prirodni materijali često poseduju nepravilan unutrašnji raspored elemenata, što im omogućava da budu izuzetno otporni na fizičke napore. Ljudska kost, na primer, ima složenu mrežu sićušnih greda nazvanih trabekule, koje omogućavaju efikasnu distribuciju stresa i povećavaju njenu žilavost. Slično tome, sedef (nacre), materijal koji oblaže unutrašnjost školjki, sadrži nepravilne rasporede mineralnih pločica koje mu daju visoku otpornost na pucanje.
Inspirisani ovim fenomenima iz prirode, istraživači su želeli da saznaju da li bi uvođenje sličnog poremećaja u veštačke materijale moglo povećati njihovu otpornost. Dosadašnji inženjerski pristupi uglavnom su se oslanjali na pravilne, simetrične strukture poput saća, koje smanjuju težinu materijala uz zadržavanje čvrstoće. Međutim, rezultati ovog istraživanja ukazuju da nepravilne strukture mogu imati značajne prednosti.
Eksperimenti otkrivaju ključnu ulogu poremećaja
Da bi testirali svoju hipotezu, naučnici su kreirali i analizirali hiljade različitih unutrašnjih struktura baziranih na trouglastim rešetkama, poznatim kao truss strukture. Neke su bile savršeno simetrične, dok su druge imale namerno uvedene nepravilnosti pomeranjem čvorova rešetke. Nakon toga, tim je koristio napredne kompjuterske simulacije i laboratorijske testove kako bi procenio kako se ovi materijali ponašaju pod opterećenjem.
Rezultati su pokazali da postoji optimalan nivo poremećaja koji značajno povećava otpornost materijala na pucanje. Strukture koje su bile blago neuredne – ni previše simetrične ni potpuno haotične – pokazale su najveću otpornost. U poređenju sa potpuno pravilnim rešetkastim strukturama, ove modifikovane verzije bile su čak 2,6 puta otpornije na pucanje.
Jedan od ključnih mehanizama iza ovog fenomena jeste način na koji se pukotine šire kroz materijal. Kod simetričnih struktura, pukotine se šire pravolinijski, što dovodi do bržeg loma. Međutim, u neuređenim strukturama, pukotine su bile „prisiljene“ da zaobilaze prepreke, što je usporavalo njihovo širenje i zahtevalo veću količinu energije za dalji rast oštećenja.
Primenljivost u industriji i budući pravci istraživanja
Otkriće da se otpornost materijala može poboljšati jednostavnim promenama u unutrašnjoj geometriji, bez potrebe za menjanjem samog sastava materijala, moglo bi imati dalekosežne posledice. Vazduhoplovna industrija, gde je težina kritičan faktor, mogla bi koristiti ove strukture za izradu lakših i otpornijih delova aviona. Građevinska industrija mogla bi razviti nove vrste betona i kompozitnih materijala sa poboljšanom otpornošću na pucanje.
Istraživači sada planiraju dodatne eksperimente kako bi testirali različite geometrije i materijale, uključujući metale, polimere i kompozite. „Koristili smo trouglaste rešetke u ovom istraživanju, ali naši rezultati su fundamentalni i mogu se primeniti na mnoge različite tipove struktura,“ rekao je Sage Fulco, vodeći autor studije.
Profesor Kevin Turner, jedan od starijih autora rada, naglasio je da inženjeri često izbegavaju nepravilne strukture zbog složenosti njihovog dizajna. Međutim, zahvaljujući napretku u digitalnoj proizvodnji, poput 3D štampanja i laserskog sečenja, sada je moguće precizno kreirati i testirati ove neuređene strukture.
„Priroda je tokom miliona godina evolucije pronašla optimalna rešenja za povećanje otpornosti materijala,“ dodao je Turner. „Naša studija pokazuje da možemo iskoristiti te principe u modernom inženjeringu kako bismo stvorili jače i efikasnije materijale.“
Ovaj rad otvara nova vrata u dizajnu mehaničkih metamaterijala i ukazuje na to da kontrolisani poremećaj u strukturi može igrati ključnu ulogu u stvaranju otpornijih i dugotrajnijih materijala u različitim industrijama.
