Дослідники Японії взяли за основу крильця метеликів для створення ультралегкої решітчастої структури, яка поєднує видатну міцність, здатність поглинати удари та розподіляти енергію.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Новий матеріал, натхненний тим, як лускокрилі розподіляють навантаження, розробили фахівці Тохоку університету в Сендаї у співпраці з колегами з Уханського технологічного університету в Китаї.
У межах проєкту команда відтворила геометрію жилок крилець метеликів і створила решітчасту архітектуру з центром куба у формі метелика. Така конструкція не лише зменшує концентрацію напружень, а й підвищує стійкість матеріалу до екстремальних сил. Дослідники сподіваються, що ця надміцна структура стане частиною майбутніх літаків та зможе застосовуватися у будівлях, стійких до землетрусів, забезпечуючи підвищену безпеку. «Натхнені рівномірним розподілом напружень у крильцях метеликів, ми створили нову анізотропну решітчасту конструкцію на основі топології куба з центром у формі метелика», – пояснили науковці.
Дослідники застосували принцип біоміметики, фокусуючись не на зміні базового матеріалу, що потребує великих ресурсів, а на архітектурі структури для керування жорсткістю, міцністю, деформаційною поведінкою та стійкістю до руйнування. У лабораторних експериментах та комп’ютерному моделюванні за методом скінченоелементного аналізу нова решітка значно перевершила традиційні конструкції. Вона показала вищий модуль пружності, підвищений рівень пластичного стресу та покращене поглинання енергії як при статичному стисканні, так і при динамічних ударах.
«Ми використовували експериментальні та чисельні моделі для дослідження статичної та динамічної механічної поведінки решітчастих структур. Аналіз розподілу напружень здійснювався методом цифрової кореляції зображень», – зазначили автори. Простіше кажучи, конструкція не лише ефективніше протистоїть зовнішнім силам, а й контролює спосіб їх розподілу. «Особливо нова решітка показала значно вищий модуль пружності, рівень пластичного стресу та здатність поглинати енергію», – додали науковці.
Крім того, після впливу удару структура ефективно перенаправляє напруження по Х-подібному шляху деформації, нагадуючи розкриті крила метелика. Це запобігає локальному руйнуванню та відтерміновує катастрофічну поломку. Ерік Цзянфен Чен, кандидат наук і доцент Інституту передових матеріалів Тохоку університету, вбачає у конструкції великий потенціал. Він переконаний, що її здатності відкривають можливості для численних застосувань. «Цей механізм особливо примітний, оскільки більшість легких решітчастих матеріалів не витримують сил локального вигину або удару. Наша конструкція демонструє значно більшу стійкість до раптових механічних навантажень», – сказав Чен у пресрелізі.
У авіаційній промисловості легкі матеріали з високою здатністю поглинати удари є ключовими для підвищення безпеки літаків без додаткової ваги. Подібна решітка може захищати критичні компоненти від механічних шоків чи аварій. Водночас у сейсмічно небезпечних регіонах, таких як Японія, будівлі мають швидко поглинати та розсіювати енергію землетрусів. Конструкція, натхненна метеликами, може забезпечити матеріали, здатні витримати коливання землі та зменшити шкоду для споруд. «Ця розробка має перспективи для використання в аерокосмічній, автомобільній та захисній промисловості, де критично важливі легкі та ударостійкі матеріали», – підсумували дослідники.
Читайте також:
- Ідея на трильйони вперлась у… тепло: Фізика знову поставила підніжку амбіціям SpaceX та Blue Origin
- Нове дослідження показало приховану ціну швидкої зарядки електромобілів