Дом, построенный на костях: ученые создали сверхпрочный материал, вдохновленный нашим телом

Сегодня, когда мир то и дело сотрясают различные катаклизмы, вопрос о прочности жилья стоит как никогда остро. Пытаясь решить эту задачу, ученые создали уникальный цемент, основанный на анатомии наших костей.

Исследователи из Принстонского университета разработали новый материал на основе цемента, вдохновляясь архитектурой человеческой кости, особенно прочным внешним слоем, известным как кортикальная кость. Сообщается, что этот инновационный материал в 5,6 раз более устойчив к повреждениям по сравнению с обычными цементными материалами, что показывает значительный прогресс в области строительных материалов, которые могут начать применяться в будущем, пишет ScienceDaily.

Уникальная конструкция позволяет новому материалу выдерживать трещины и избегать внезапных катастрофических разрушений, которые обычно характерны для хрупких материалов, используемых в строительстве. Исследование, проведенное под руководством Резы Мойни, доцента кафедры гражданского строительства и природообустройства, было опубликовано в журнале Advanced Materials. В нем подробно описывается, как включение трубообразной архитектуры в цементную пасту значительно повышает ее устойчивость к распространению трещин. Такой подход не только предотвращает внезапные разрушения, но и улучшает способность материала постепенно деформироваться под действием нагрузок, что очень важно для долговечности здания.

Традиционные материалы на основе цемента часто разрушаются внезапно из-за своей хрупкости, что создает проблемы в строительстве, особенно в несущих конструкциях. В своем решении команда из Принстона использует принципы механики разрушения и статистической механики для разработки внутренней архитектуры, которая уравновешивает напряжение и механическую реакцию на фронте трещины. Этот дизайн вдохновлен кортикальной костью человека, которая использует эллиптические трубчатые структуры, называемые остеонами, для отклонения трещин, тем самым предотвращая внезапное разрушение и повышая общую прочность.

Кортикальная кость может быть почти такой же прочной, как сталь. Несмотря на то, что она намного легче, ее прочность на сжатие составляет около 170 МПа (мегапаскалей), что сравнимо с прочностью на сжатие бетона и некоторых видов нержавеющей стали. Эта удивительная прочность в сочетании с легкой структурой позволяет костям выдерживать вес нашего тела и противостоять значительным физическим нагрузкам.

В новом разработанном материале цилиндрические и эллиптические трубки встроены в цементную пасту, контролируемо взаимодействуя с распространяющимися трещинами. Мойни объяснил, что, несмотря на первоначальные ожидания, что такие полые структуры могут ослабить материал, тщательная разработка геометрии, размера, формы и ориентации трубок позволяет повысить трещиностойкость без ущерба для других свойств. Этот механизм поэтапного упрочнения эффективно рассеивает энергию при каждом взаимодействии трещины с трубкой, значительно замедляя распространение трещины и предотвращая катастрофическое разрушение.

Подход команды из Принстона отличается от традиционных методов, которые часто основаны на добавлении волокон или пластика для укрепления материалов на основе цемента. Вместо этого они сосредоточились на геометрическом дизайне для повышения прочности, продемонстрировав, что изменение внутренней структуры материала позволяет добиться превосходных результатов. Кроме того, исследователи представили новый метод количественной оценки степени беспорядка в архитектуре материала, что дает более точное представление о его свойствах и позволяет проводить дальнейшую оптимизацию.

В перспективе исследовательская группа изучает возможность использования передовых технологий изготовления, таких как аддитивное производство, для дальнейшего совершенствования этих трубчатых конструкций и их возможного масштабирования для использования в крупномасштабных проектах гражданской инфраструктуры.