Паттерны природы: сегментация экзоскелета беспозвоночных как вдохновение для более прочных материалов
Современное общество разительно отличается от того, что было несколько веков назад. Изменения, которые претерпел наш вид, связаны не только со сменой культурных, религиозных и политических предпочтений, но и с развитием технологий. Прогресс коснулся как жизни государств в целом, так и жизней отдельных индивидов. Машины вместо лошадей, светодиоды вместо свечей, смартфоны вместо голубиной почты и т.д. Другими словами, развитие наук и последующее развитие технологий повлияло без малого на все. Это же можно сказать и о строительстве. Без тех знаний, что есть у нас сейчас, мы бы не смогли возвести дома, которые своими крышами ловят облака. При этом источником столь полезных знаний может быть не только осознание каких-то основоположных законов естественных наук, но и наблюдения за представителями флоры и фауны. Ученые из университета Монаша (Австралия) обнаружили необычные свойства экзоскелетов беспозвоночных, которые могут помочь создать более устойчивые к повреждениям материалы для строек будущего. Что именно они нашли, как это можно применить в строительстве, и при чем тут экология? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
То, что природа способна подстраиваться под обстоятельства, не секрет. Долгая и напористая эволюция может привести к совершенствованию того или иного физиологического аспекта организма, дабы максимально повысить его шансы на выживание. Порой сложности, возникающие в процессе метаморфозы, приводят к радикальным изменениям курса эволюции. Но не редки и случаи, когда в дальнейших изменениях просто нет нужды, а потому по современной Земле до сих пор бродят (плавают, летают, ползают, произрастают и т.д.) организмы, которые не менялись уже тысячи, а то и миллионы лет (некоторые виды мечехвостов тому яркий пример).
В ходе совершенствования биологического вида изменения могут коснуться как всех, так и отдельных аспектов его жизни: питание, размножение, метод переживания, восприятие и т.д. Одним из таких аспектов, важным для нас в рамках рассматриваемого исследования, является противодействие разрушительным факторам окружающей среды. Укрепить защиту можно посредством создания чего-то нового и более прочного, но можно и улучшить то, что уже есть. И тут на сцену выходят морфологические мотивы (паттерны, схемы) материалов, которые оптимизируют их свойства и функциональность.
С момента первого открытия спиральной структуры в 1972 году (Twisted fibrous arrangements in biological materials and cholesteric mesophases) ученые стремились извлечь паттерны из более чем 7 миллионов живых видов, чтобы использовать их в совершенствовании материалов. Наличие паттернов в морфологии были найдены практически у всех видов, но лишь восемь категорий паттернов были полноценно использованы в разработке новых материалов. К этим паттернам относятся: волокнистые, спиральные, градиентные, слоистые, трубчатые, ячеистые, шовные и перекрывающиеся.
Ученые отмечают, что значительная часть паттернов представляет собой естественное решение кажущейся взаимной исключительности, которая существует между прочностью и устойчивостью к повреждениям хрупких материалов. Одним из основных механизмов, используемых для достижения устойчивости к повреждениям, является повышение ударной вязкости за счет введения более извилистого пути трещины и межфазного сдвига. Например, слоистый паттерн, обнаруженный в перламутре и зубной эмали, был тщательно исследован и характеризуется введением интерфейсов в первичную структуру для повышения ударной вязкости за счет сдвига между слоями. Спиральная структура является еще одним подходом, широко применяемым при проектировании материалов для удлинения пути трещины путем сборки слоев минеральных волокон или фибрилл под разными углами. Несмотря на различия в геометрии и методах сборки классифицированных паттернов, они имеют схожий механизм реализации устойчивости к повреждениям, а именно рассеивание энергии посредством сдвига между хрупкими материалами.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают механизм нового паттерна, полученного из сегментной структуры экзоскелета членистоногих.
Результаты исследования
Исследуемый паттерн наблюдается в сегментарной структуре экзоскелета членистоногого. Эта структура экзоскелета, обнаруженная более чем у 80% известных видов животных, таких как блоха, скорпион, многоножка и т. д., представляет собой еще один способ сочетания высокой прочности и устойчивости к повреждениям.
Изображение №1
Как показано на 1a, 1b и 1d, типичная нога членистоногого состоит из нескольких сегментов, таких как большеберцовая кость и предплюсна, которые представляют собой тонкие оболочки, соединенные ротационными суставами. Когда сегменты сжимаются (1c и 1e), (например, во время прыжка), они вращаются асимметрично вокруг суставов, что обеспечивает способность накапливать и высвобождать энергию, а также максимизировать несущую способность*.
Несущая способность* — способность выдерживать нагрузку при поддержании нормального функционирования. В механике: предельная нагрузка конструкции, превышение которой приводит к пластическим деформациям.
Подобные сегментарные структуры также обнаруживаются и у других видов, при этом они выполняют те же функции: ноги млекопитающих (например, человека и медведя), амфибий (например, лягушки и жабы) и рептилий (например, черепахи и ящерицы). Как отмечают ученые, все эти сегментные конструкции демонстрируют превосходную несущую способность и выраженную способность поглощать энергию за счет асимметричного вращения.
По сравнению с четырьмя известными паттернами, которые эффективны для адаптации к повреждениям (спиральные, шовные, слоистые и перекрывающиеся), сегментарная структура обеспечивает толерантность к повреждениям за счет асимметричного сегментарного вращения (1f). Как показано на 1f, спиральная, шовная и слоистая структуры предназначены для повышения стойкости к повреждениям и прочности при растяжении. Перерывающаяся структура обычно рассчитана на высокую гибкость и устойчивость к проколам, но менее эффективна в случае нагрузки в продольном направлении. Способность поглощать энергию в основном достигается за счет скольжения между отдельными пластинами или чешуйками.
Напротив, паттерн сегментной конструкции очень эффективен для нагрузки, потому что вращение ограничено в одном направлении, что способствует высокому уровню сжимающего напряжения в более прочных хрупких материалах. Только при чрезмерной деформации вращательная степень свободы позволяет твердому материалу деформироваться вбок, чтобы избежать разрушения твердого материала. Энергия, рассеиваемая при асимметричном вращении сегмента, определяется уравнением ниже (1g):
где F — сила, приложенная к отрезку длиной L; θt и δt — вращение и осевая деформация в момент времени t соответственно.
Стоит также отметить, что при понимании принципа работы сегментного паттерна выполнение таких тонких соединений в дизайне материалов представляет собой ключевую проблему, особенно с использованием доступных методов производства. Ученые изучили все возможные схемы реализации сегментного паттерна в проектировании материалов, после чего разработали схему покрытия поверхности на основе каркаса для повышения эффективности производства. Схема изготовления была вдохновлена формированием экзоскелетов, в которых внутренние мягкие ткани служат платформой для контроля геометрии и роста твердого экзоскелета. Созданная учеными схема является композицией из двух составляющих: каркаса и материалов покрытия.
Каркас с геометрической конструкцией, позволяющей наносить асимметричные покрытия, сначала изготавливали из материала с относительно низкой жесткостью (1h), затем на каркас наносили окунанием или распылением жидкую смесь, содержащую более жесткие заполнители и связующее (1i-1l). Затем путем отверждения, гидратации, минерализации или керамизирования жидкость затвердевала, образуя конечный продукт.
При этом свойства каркаса и жидкости должны быть точно настроены для достижения тонкой геометрии, которая регулирует деформацию как в мягком каркасе, так и в твердой оболочке для достижения вращения.
Первая успешная вариация на тему вышеописанного паттерна использовала предложенную схему изготовления, комбинируя полимерный каркас и твердую цементную оболочку.
U-образный каркас (1h) был специально разработан для двух целей:
- для контроля эксцентриситета* покрытия (1j и 1k) боковыми стенками U-образной формы (1i), образующими стопор вращения по часовой стрелке (1i);
- с помощью горизонтального элемента (1h и 1k) для обеспечения гибкости вращения против часовой стрелки (1l).
Эксцентриситет* — числовая характеристика конического сечения, показывающая степень его отклонения от окружности.
В качестве материала покрытия в экспериментальных испытаниях была выбрана свежая портландцементная паста, наиболее часто используемое хрупкое/квазихрупкое искусственно созданное вещество. Чтобы обеспечить однородное и стабильное покрытие полимерного каркаса, реологические свойства, включая поверхностное натяжение и предел текучести, были тщательно подобраны и согласованы с размером окна полимерного каркаса. Первоначально была изготовлена и испытана экспериментальная структурная единица, напоминающая насекомое с шестью опорными ногами (1m-1p). Этот эксперимент показал, что когда ноги нагружены, сегменты вращаются против часовой стрелки вокруг полимерного горизонтального элемента (1p). Колебание ступней ног было предотвращено от бокового смещения, аналогично рабочему механизму предплюсны, при котором коготь на конце используется для закрепления на поверхности, чтобы предотвратить боковое движение. Поскольку вращение по часовой стрелке было остановлено из-за эксцентриситета твердого минерального покрытия (1l), опоры стали очень эффективно нести нагрузку. Результаты механических испытаний показали, что устройство может легко выдерживать нагрузку, в 10000 раз превышающую его собственный вес. Следует отметить, что вклад полимерного каркаса в несущую способность составляет 1–3% из-за его очень низкого модуля упругости и малой объемной доли.
Как описано выше, предложенная учеными схема изготовления обеспечивает простой и эффективный способ выполнения асимметричной суставной и сегментарной структуры. Однако необходимо понимать несколько ключевых аспектов, чтобы обеспечить успешную реализацию схемы. Помимо конструктивной особенности каркаса (1g и 1h), решающее значение для динамического формирования покрытия имеют также реологические свойства жидкости.
Анализ показал, что в отличие от ньютоновских жидкостей Бингамовские жидкости вносят значительный вклад в стабилизацию покрытия.
Бингамовская жидкость* — жидкость, имеющая начальный предел текучести, ниже которого она не течёт и имеет свойства твёрдого тела.
Результаты моделирования методом решёточных уравнений Больцмана показали, что, когда жидкость приближается к полимерному каркасу следующего уровня, напряжение сдвига и кинетическая энергия значительно возрастают из-за собственного поверхностного натяжения связующего (1q). Процесс динамического формования завершается, когда кинематическая энергия пастообразной жидкости рассеивается за счет трения между частицами.
Поверхностная энергия неньютоновской жидкости с воздухом и каркасом играет ключевую роль как в течении, так и в растекании покрытия, а также вносит вклад в равновесие сил под действием силы тяжести и трения между частицами при стабилизации покрытия.
Расчеты изменения свободной энергии Гиббса* в процессе динамического формования также показали, что реологические свойства жидкости (γL — поверхностное натяжение, θ — краевой угол) должны соответствовать геометрии каркаса (b/a — размер пустоты), чтобы способствовать однородному формованию и образованию стабильной пленки.
Свободная энергия Гиббса* — величина, изменение которой в ходе химической реакции равно изменению внутренней энергии системы.
Свойства жидкости можно регулировать, изменяя объемную долю твердых частиц и химический состав поверхности с помощью ПАВ (поверхностно-активные вещества; в данном случае использовался полимер на основе поликарбоната).
Изображение №2
Ученые также отмечают, что сегментарная структура, может применяться при проектировании материалов с помощью большого количества возможных методов топологической сборки, таких как одномерные колонны, двухмерные соты, трехмерные решетки и трехмерные пены (2a).
В качестве примера был выбран метод сборки сот, который помогает превысить пределы производительности традиционных хрупких и квазихрупких материалов. Трехмерные сотовые структуры могут быть сформированы с использованием элементов U-образной формы, расположенных шестиугольником (2a). Размер U-образной формы можно варьировать, чтобы контролировать объемную плотность сотового материала (SH1 и SH2 на 2b-2e).
Также U-образные элементы были использованы для создания своеобразных лесов. На 2b и 2d показано, что боковые стенки U-образных лесов (1f) сливаются с оконными участками соседних блоков. Это упрощает конструкцию лесов и снижает использование полимерного материала.
Рентгеновское микро-КТ сканирование (2f-2i) показало, что асимметричное покрытие может быть эффективно сформировано аналогично U-образному каркасу. После настройки как конструкции лесов, так и свойств жидкости была достигнута толщина покрытия 400–800 мкм в центре окон и 600–1000 мкм на уровне стыков.
Далее ученые провели наблюдения за моделью при приложении сжимающей нагрузки, что позволило оценить как динамику движения сегментированной системы, так и распространение трещин в материале (3a-3c).
Изображение №3
Микро-КТ показало, что перед вращением сустава трещины сначала возникают вокруг стороны каркаса с более тонким покрытием из твердой оболочки, что также было подтверждено в моделировании. Далее трещины распространялись вертикально в более тонкое покрытие, что приводило к откалыванию материала вокруг стыка (3а). После этого более гибкое соединение каркаса начало сжиматься, что привело к вращению самого верхнего сегмента в направлении каркаса (против часовой стрелки; 3c). По мере того как вращение продолжалось, более толстая твердая оболочка на другой стороне менялась от сжатия к растяжению. Затем образовалась горизонтальная трещина, отделившая первый сегмент от второго (3b и 3c). Кроме того, также было обнаружено, что материал в верхней части вращающихся сегментов также подвергался усиленному разрушению, что способствовало большему поглощению энергии.
В структуре сборки асимметричное вращение также оказалось осесимметричным вокруг центральной колонны лесов, где три U-образные формы соединялись друг с другом под углом 120 градусов (3d и 3e).
Комбинация микро-КТ, количественного наномеханического картирования и моделирования методом дискретных элементов позволила определить, что увеличение жесткости сустава вокруг полимерных элементов также способствовало инициированию вращения сустава. Было выявлено образование более плотных и жестких материалов вокруг полимерных столбиков (3f-3k).
Неуравновешенная сила на интерфейсе воздух-жидкость привела к «сжимающей» силе по направлению к жидкости, что способствовало упаковке частиц в более плотное состояние. В результате этого увеличивалась концентрация негидратированных зерен вблизи полимерных столбиков. Этот эффект придания жесткости суставу создал кольцо жесткости с более высоким наноразмерным модулем Юнга вокруг полимерных столбиков, которое в сочетании с межфазной переходной зоной между полимерными столбиками и затвердевшей цементной пастой (3g) остановило трещины и направило их распространение по вертикали внутри сегментов (3a).
Результаты также показали, что баланс между размером элемента каркаса и толщиной твердой оболочки имеет решающее значение для вращения сустава. Размер горизонтальных элементов лесов должен быть достаточным, чтобы задерживать и направлять трещины, распространяющиеся горизонтально, дабы предотвратить распространение на соседние сегменты. Следует подчеркнуть, что размер полимерных столбиков также необходимо подбирать таким образом, чтобы все сегменты в одном ярусе могли вращаться одновременно без ярко выраженного распространения трещины на нижний ярус (3d).
Также было установлено, что полимерные элементы неправильного размера позволяют трещинам распространяться по всему образцу, что приводит к неравномерному непериодическому прогрессирующему разрушению (3l и 3n). Прочность каркаса должна составлять около 1–3% от прочности сегментированных сот, чтобы обеспечить желаемое поведение при вращении.
Асимметрично вращающиеся сегменты позволяют материалу проявлять уникальный периодический режим прогрессирующего разрушения при больших деформациях (3m и 3o). Нижние сегменты настроенной (со специально подобранными параметрами) сегментированной соты оставались неповрежденными (3o) даже при нагрузке > 50%, тогда как сегментированный сотовый заполнитель без прогрессирующего разрушения раскололся на несколько частей (3n).
Прогрессирующее разрушение по ярусам дает явное структурное преимущество по сравнению с традиционными хрупкими материалами, которые могут стать очень нестабильными из-за крупных трещин, которые часто проникают через весь элемент конструкции, что приводит к потере целостности. На типичной кривой нагрузки процесса периодического разрушения (3l) наблюдаются множественные пики с интервалом около 1.75 мм, т.е. высотой каждого сегмента. Следовательно, интервалы между периодическими пиками можно контролировать путем настройки каркаса и жидкости для разных размеров сегментов.
Периодическое разрушение также может использовать характеристики квазихрупких материалов, чтобы соответствовать и даже превосходить пластичные материалы, такие как металлы, в широком диапазоне структурных применений. Ранее было установлено, что постепенное разрушение является уникальным преимуществом тонкостенных пластичных материалов. Однако по результатам данного исследования стало ясно, что и квазихрупкий материал может демонстрировать такое поведение.
Ученые провели моделирование, в котором рассматривалось прогрессирующее разрушение в хрупких и квазихрупких материалах. Это было сделано для оценки эффекта такого разрушения в аспекте материала, поглощающего энергию.
По сравнению с обычными пластичными материалами, которые демонстрируют постоянную прочность после текучести, материал с прогрессирующим разрушением демонстрирует уникальный механизм снятия напряжения. Остаточное напряжение материала с прогрессирующим разрушением после локального повреждения значительно снижается на 90.5% по сравнению с пластичными материалами (3p). Кроме того, деформация из-за локального повреждения также уменьшилась до 31.8% (3q).
Изображение №4
Сегментированные соты показали более высокую прочность на сжатие, чем любой другой легкий материал, в котором используются аналогичные ингредиенты. Результаты механических испытаний структуры при сжатии показаны на 4a. Например, пенобетон плотностью около 250 кг/м3 имеет прочность менее 1 МПа. А вот у сегментированных сот прочность была около 3 МПа.
Дополнительно было установлено, что сегментная конструкция может снизить показатель деградации n между относительной плотностью и относительной прочностью до 1.1–1.5, что является значительным улучшением по сравнению с 2.0–3.4 традиционных аналогов. Кроме того, коэффициент использования материала также улучшился с 59% до 79% при использовании сегментированной конструкции.
В дополнение к основному исследованию сегментированных паттернов ученые изучили потенциальное применение данных паттернов в цементных, керамических, стеклянных, металлических и полимерных материалах (4d). Некоторые из материалов невозможно применять в рамках использованного в труде метода жидкостного покрытия. Однако недавние достижения в области 3D-печати металлом и керамикой позволили обойти эту проблему.
Соотношение модуля Юнга и прочности на сжатие между полимерным каркасом и цементной оболочкой имело следующий вид:
На основе этого соотношения можно предугадать вероятность постепенного разрыва с использованием комбинаций двух компонентов каркаса и покрытий (4d). Так был определен коэффициент прогрессирующего разрыва (PFi):
Вероятность того, что определенная комбинация материалов покажет прогрессирующий разрыв, будет выше, если PFi будет около 0. График на 4d показывает, что 50 комбинаций, охватывающих 27 материалов, демонстрируют PFi менее 0.6. Это указывает на большую вероятность прогрессирующего разрыва. Стоит выделить комбинацию полимера и вяжущего материала или керамики (например, цемент + ПЭТ/ПЭНП, нитрид бора + ПЭИ), которая демонстрирует наибольшую вероятность прогрессирующего разрушения из-за относительно более низкой прочности полимера, чем у керамики и вяжущего материала. Кроме того, металлический материал в сочетании с высокопрочной керамикой (комбинация Ti6Al4V и карбид кремния) также может демонстрировать высокий потенциал прогрессирующего разрушения. Учитывая более высокую прочность металлического материала, чем полимера, сегментированные конструкции, изготовленные из комбинаций металлических и керамических материалов, будут более подходящими для практического применения в условиях больших нагрузок.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые охарактеризовали новый тип паттерна в морфологии материалов, который был позаимствован у беспозвоночных. Если быть точным, то вдохновением для данного исследования стали экзоскелеты (например, у некоторых насекомых), построенные как асимметричные сегментированная структуры. В природе подобные конструкции позволяют сегментам не только вращаться, но и равномерно распределять нагрузку, что предотвращает возникновение критических повреждений.
Имитация сегментированной структуры, присутствующей в природе, была выполнена учеными из полимерного каркаса и твердой цементной оболочки. Опыты показали, что в созданном материале наблюдаются прогрессирующие разрушения, которые сохраняют целостность материала, обеспечивая 60–80% производительности при > 50% деформации сжатия.
Вращательная степень свободы также позволила достичь поглощения энергии во время разрушения с более чем на 100% большей прочностью, чем у традиционной ячеистой пены, и до 97.9% остаточного напряжения после повреждения по сравнению с пластичными материалами.
Другими словами, сегментированный материал не разрушается полностью при воздействии сильного напряжения. Следовательно, любое повреждение можно локализовать в одном сегменте, сохранив целостность и несущую способность всей конструкции.
Дополнительно было установлено, что сегментированный паттерн может быть реализован с применением большого числа комбинаций различных материалов (полимеры, металлы, керамика и т.д.). Из этого следует, что подобные структуры могут найти свое применение в самых разных областях, от строительства зданий до клеточной инженерии.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
