Цемент, вдохновленный раковинами, стал в 19 раз гибче благодаря «спроектированным дефектам»

Цемент, вдохновленный раковинами, стал в 19 раз гибче благодаря «спроектированным дефектам» Вдохновленные блестящей оболочкой моллюсков, исследователи создали цементный композит, который в 19 раз гибче и в 17 раз более устойчив к трещинам, чем обычный цемент. Его свойства могут быть применены к хрупким керамическим материалам, таким как фарфор и бетон. Природа известна созданием легких, но прочных материалов с использованием простых ресурсов, организованных в хитрую архитектуру.

Примером служит перламутр — блестящая внутренняя оболочка раковин моллюсков, состоящая из 3D-структуры из шестигранных таблеток арагонита, твердого минерала, скрепленных мягким, гипер эластичным биополимером. Хотя арагонитовые таблетки очень хрупкие, гибкость био полимера позволяет им сдвигаться под воздействием растягивающих нагрузок, делая перламутр прочным материалом, который может значительно деформироваться перед разрушением. Исследователи из Принстонского университета создали новый цементный композит, имитируя архитектуру природного перламутра.

«Синергия между твердыми и мягкими компонентами является ключом к замечательным механическим свойствам перламутра», — сказал Шашанк Гупта, студент инженерного факультета Принстона и ведущий автор исследования. «Если мы сможем сделать бетон устойчивым к распространению трещин, мы сможем сделать его прочнее, безопаснее и долговечнее». Чтобы создать композитный материал, похожий на перламутр, исследователи сделали шестигранные таблетки из цементной пасты и уложили их слоями, разделенными поливинилсилоксаном (ПВС), который действовал как гиперэластичный биополимер.

Затем была протестирована механическая реакция композита с использованием балок, изготовленных из материала, и их сравнили с балками из твердой (монолитной) цементной пасты. Балкам провели испытание на трехточечный изгиб (3PB), при котором давление вниз прикладывается в середине балки, а давление вверх на каждом конце, чтобы оценить сопротивление трещинам. Тесты показали, что балки из монолитной цементной пасты были хрупкими и ломались внезапно и полностью при достижении предела прочности из-за отсутствия гибкости.

В отличие от них, композитные балки, похожие на перламутр, продемонстрировали в 19 раз большую гибкость и в 17,1 раза большую стойкость к разрушению по сравнению с контрольными балками, сохраняя при этом почти ту же прочность. «Наш био вдохновленный подход не просто копирует микроструктуру природы, а учится у нее и использует эти принципы для создания искусственных материалов», — сказал Реза Моини, руководитель лаборатории материалов и аддитивного производства в Принстоне и соавтор исследования.

«Одним из ключевых механизмов, делающих перламутровую оболочку прочной, является скольжение таблеток на нанометровом уровне. Здесь мы сосредотачиваемся на механизме скольжения, создавая структуру цементной пасты с учетом свойств полимера и интерфейса между ними. Другими словами, мы намеренно проектируем дефекты в хрупких материалах, чтобы сделать их прочнее». Конечно, эти результаты были получены в лаборатории. Исследователи планируют протестировать био вдохновленный цементный композит в реальных условиях и изучают возможность использования его механических свойств для повышения устойчивости к трещинам других материалов, таких как бетон и фарфор.

• IBM ускоряет обучение ИИ на скорости света при минимальном энергопотреблении
• Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона
• Солнечная система для зарядки электромобилей
• Крупнейший электрический самолёт взлетит в 2025 году
• ДНК-биочернила открывают новые горизонты для 3D-печати кровеносных сосудов
• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое
• Мягкий, растяжимый электрод имитирует тактильные ощущения с помощью электрических сигналов