Не поддается взлому: скорпионы и губки вдохновляют экологичный дизайн

Люди ни в коем случае не одиноки в поисках более устойчивых материалов. Природа тоже «работает» над проблемой устойчивости, и занимается этим гораздо дольше. Исследователи из Института науки Вейцмана показывают, как дизайнерские приемы, использованные древними существами, такими как скорпионы и губки, могут помочь оптимизировать устойчивость искусственных материалов, в конечном итоге продвигая устойчивый дизайн.

«В естественном мире материалы развивались на протяжении миллионов лет в средах, которые часто характеризуются ограниченностью ресурсов и суровыми условиями», — говорит профессор Даниэль Вагнер с кафедры молекулярной химии и материаловедения Вейцмана, изучающий механические аспекты натуральные материалы на несколько десятков лет.

«Нашей отправной точкой была интуиция о том, что биологические структуры вокруг нас — деревья, растения, кости, скелеты различных организмов — развивались таким образом, который по определению является устойчивым».

«В этом отношении долговечность имеет решающее значение», — говорит соавтор исследования доктор Исраэль Гринфельд. «Живые организмы, например, демонстрируют множество специализированных стратегий борьбы с внешними силами, затрачивая при этом наименьшее количество энергии — вот почему нам так многому можно научиться у природы, поскольку мы пытаемся разработать более прочные и долговечные материалы. нашего собственного.

«Повышение прочности материала часто приводит к компромиссу с гибкостью. Но природа разработала структуры, которые позволяют достичь и того, и другого без компромиссов».

Улучшенные и эффективные материалы открывают важный путь к более устойчивому будущему, поскольку они могут привести к уменьшению количества отходов и снижению потребности в топливе. Но любая попытка улучшить одно из преимуществ материала обычно происходит за счет другого его свойства. Например, увеличение силы обычно приводит к увеличению веса или снижению гибкости.

«Оказывается, природа находит удивительные способы оптимизировать баланс», — говорит Гринфельд. Одной из особенностей оптимизации, обнаруженной в различных твердых органических материалах, является конструкция ламината: материалы, состоящие из различных веществ, наложенных друг на друга или переплетенных друг с другом. Этот тип композитного материала часто демонстрирует прочность и упругость, сохраняя при этом другие полезные свойства, такие как легкий вес и гибкость.

В исследовании опубликовано в Научные отчетыВагнер и Гринфельд исследовали два натуральных ламината, которые демонстрируют исключительную степень прочности: внешнюю оболочку или кутикулу скорпиона и внутренний скелет или спикулу морской губки. Исследователи обнаружили, что секрет их устойчивости заключается в сортировке — специализированной стратегии, которая редко встречается в искусственных материалах: постепенном изменении свойств от одного слоя к другому.

У обоих существ разные слои различаются по толщине, а в панцире скорпиона их жесткость также уменьшается от внешней к внутренней части, так что поверхность, обращенная к суровому миру, в котором обитает скорпион, имеет большую устойчивость, чем внутренняя часть его панциря. Фактически, исследование скорпиона, основанное на работе, начатой ​​в Вейцмане доктором Исраэлем Келлерштейном, бывшим студентом команды Вагнера, показало, что сложная оболочка организма представляет собой смесь, состоящую из восьми различных структурных уровней.

Было обнаружено, что и у скорпиона, и у губки тонкая, но мощная «перетасовка» или перестановка слоев ламината служит биологическим компромиссом между конфликтующими свойствами, помогая им противостоять тем типам стресса, с которыми они обычно сталкиваются.

Взлом кода

Благодаря сортировке панцирь скорпиона и скелет губки, будучи прочными и прочными, особенно хорошо противостоят трещинам. Несмотря на то, что они различаются по химическому составу и структуре, оба оптимизируют это сопротивление, используя один и тот же принцип: прогиб при изломе.

Это означает, что в обоих организмах трещины смягчаются путем изменения их пути. Как только в материале начинает появляться трещина, градуированная структура материала «поощряет» ее изменить направление и идти параллельно поверхности, а не идти глубже, где она может вызвать более масштабные структурные повреждения, потенциально ведущие к катастрофическим последствиям. крах.

Чтобы лучше понять, как работает сортировка у обоих организмов, исследователи адаптировали модель из классической механики разрушения — области, которая занимается изучением того, как что-то ломается. Модель показала, что без классификации для достижения одинаковой устойчивости как скорпиона, так и губки потребовались бы более расточительные меры, такие как более толстые компоненты. Исследование также показало, что устойчивость повышается за счет перемещения большего количества материала в структурные области, которые более важны с точки зрения долговечности.

На этом исследователи не остановились. Они показали, как в биоинспирированных материалах градацию можно использовать способами, которые природа еще не придумала. «Используя эту модель, мы смогли изменить уровни оценок таким образом, о котором скорпион и губка даже не подумали», — говорит Гринфельд.

Гринфельд и Вагнер отмечают, что внедрение таких концепций, как классификация, в созданные человеком проекты является очень сложной задачей. «Для людей такой дизайн является инновационным», — говорит Гринфельд. «Биологические структуры создаются снизу вверх — от крошечных нанометровых строительных блоков до микроскопических структур и далее к все более и более крупным структурам, тогда как в инженерии обычно не начинают с молекулярного уровня».

Тем не менее, хотя структура скорпиона особенно сложна, другие природные микроструктуры, такие как морская губка, могут быть более легко применены в технике. Например, в скелете губки трещины замедляются или останавливаются не только за счет образования трещин, но и за счет того, что хрупкие слои перемежаются небольшим количеством более мягких слоев. «Это керамика, по сути, она сделана из кремнезема, а не из того типа материала, от которого обычно ожидают высокой стойкости к разрушению», — говорит Вагнер.

Лучшее понимание стратегий, обнаруженных в природных композитных материалах, объясняют исследователи, может помочь инженерам оптимизировать наши собственные искусственные композиты, широкое семейство материалов, которое варьируется от повсеместного цемента до специализированных армированных волокнами ламинатов, используемых в аэрокосмической промышленности.

Не копирую, именно

Вагнер и Гринфельд, работающие вместе более десяти лет, имеют разный профессиональный опыт. Вагнер уже давно проводит фундаментальные исследования микромеханики биологических композитных материалов и искусственных наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и графен.

Тем временем Гринфельд сделал карьеру в авиационной технике, области, где эффективность имеет ключевое значение. Он также использует различные области использования материалов, от проектирования конструкций до системной инженерии и изобретений. «Придя из мира практического творчества, доктор Гринфельд привносит в нашу лабораторию другую точку зрения — и мы оба выигрываем от сотрудничества», — говорит Вагнер.

«Наша работа заключается не в копировании», — добавляет он. «Речь идет о вдохновении от замыслов природы».

«Конечно, как использовать это вдохновение, зависит от инженерных целей, но речь также идет о расширении горизонтов того, что можно сделать с помощью инженерии», — говорит Гринфельд.

Вагнер говорит: «Я бы определил устойчивость как способность отвечать потребностям настоящего, не нанося вреда способности будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности. Мы рассматриваем важность механической прочности через эту призму – повышение устойчивости к износу или улучшение гибкость, и это приводит к лучшим результатам в долгосрочной перспективе, независимо от того, пытаетесь ли вы быть более экономными с топливом или с количеством сырья, которое необходимо в первую очередь».