Nový druh stavebného materiálu je viac ako 5-krát tvrdší než bežná tehla: Vedcov inšpirovala ľudská kosť
Výskumníci sa v rámci novej štúdie pohrali s internou štruktúrou nového stavebného materiálu, ktorý inšpirovala kosť.
Výskumníci z Princeton University vo svojej práci predstavili druh cementu, ktorý je o viac ako 5-násobok odolnejší oproti tradičným materiálom.
Autori štúdie sa inšpirovali tvrdou vonkajšou vrstvou ľudskej kosti. Dizajn inšpirovaný biológiou umožňuje materiálu vyhnúť sa prasklinám a náhlemu kolapsu. To predstavuje ďalšiu výhodu oproti tradičnému cementu a betónu.
“Jednou z najväčších výziev v inžinierstve sú krehké stavebné materiály, ktoré jedného dňa z ničoho nič zlyhajú a následky bývajú častokrát katastrofické,” tvrdí Shashank Gupta, jeden z autorov štúdie.
V stavebnom priemysle, pri vytváraní konštrukčných materiálov, pracujeme s dvoma hlavnými parametrami. Sú nimi sila a tvrdosť. Sila určuje, akú veľkú záťaž dokáže materiál uniesť, pričom tvrdosť zas opisuje odolnosť materiálu voči prasklinám a inému poškodeniu. Nový typ materiálu je tvrdší ako bežné konštrukčné materiály, pričom si zachováva ich silu.
Dizajn robí veľa
Hlavné vylepšenie sa ukrýva v špeciálnom internom dizajne nového materiálu. Výskumníkom sa podarilo vyrovnať stresy s celkovou mechanickou reakciou materiálu. Výskumníci využili teoretické princípy mechaník fraktúr a štatistickej mechaniky na to, aby vylepšili základné vlastnosti nového materiálu.
Ako sme už uviedli na začiatku, dizajn inšpirovala vonkajšia vrstva ľudskej kosti. Hustá vonkajšia obálka ľudskej stehennej kosti ponúka silu, pričom je odolná aj voči fraktúram. Táto kosť sa vyznačuje vrstvou eliptických tubulárnych komponentov, ktoré sa nachádzajú slabo vložené do organickej vrstvy. Ide o jedinečnú architektúru, ktorá bráni vzniku prasklín. Znamená to, že táto architektúra zároveň zabraňuje tomu, aby sa stehenná kosť jedného dňa náhle prelomila. Zároveň takáto architektúra pomáha zabrániť šíreniu prasklín, keď vzniknú.
Neprehliadnite
Nový materiál predstavený v štúdii sa skladá z kruhových a eliptických trubíc, ktoré sa nachádzajú v cementovej paste.
“Bežne si myslíme, že keď do materiálu pridáme duté trubice, tak sa stane náchylnejší na prasknutie, no nie je to tak. Naučili sme sa, že keď využijeme geometriu trubice, jej veľkosť, tvar a orientáciu, vieme podporovať interakcie, ktoré zlepšujú odolnosť voči prasklinám bez toho, aby sa obetovala sila materiálu,” hovoria vedci.
Dizajn dutých trubíc teda podporuje interakcie medzi prasklinami a trubicami, čo zároveň prispieva k zvýšeniu tvrdosti materiálu. V prípade vzniku praskliny sa táto prasklina uväzní pri trubici a tým sa nešíri ďalej. Jedinečnou vlastnosťou tohto materiálu je to, že každá prasklina je kontrolovaná, čím sa zabraňuje náhlemu a katastrofickému zlyhaniu. Namiesto jedného veľkého zlomu sa teda materiál poškodzuje progresívne, čím sa stáva oveľa tvrdším.
Objavilo sa už viacero štúdií, ktoré priniesli svoju vlastnú víziu tvrdšieho betónu. Niektoré pridali do cementu vlákna, iné štúdie pracovali s rôznymi typmi plastov. Autori štúdie tieto práce sledujú, no vysvetľujú, že ich materiál sa od týchto štúdii zásadne líši. Namiesto pridaných látok totiž výskumníci pracujú výhradne s geometrickým dizajnom. Manipulovanie štruktúry samotného materiálu.
Nový druh betónu
Okrem vylepšenia tvrdosti materiálu výskumníci predstavili aj novú metódu kvantifikovania miery neusporiadanosti. To je dôležitý parameter pre dizajnovanie. Napríklad v budúcnosti by mohli výskumníci vytvoriť materiály so špecifickou mierou neusporiadanosti internej štruktúry a vytvoriť tak materiál, ktorý sa ideálne hodí na stavbu konkrétnych štruktúr.
“Zatiaľ sme len začali skúmať rôzne možnosti. Existuje veľa premenných, ktoré musíme prešetriť. Tieto premenné by sme následne mohli aplikovať aj na iné krehké materiály, aby sme zlepšili ich celkovú tvrdosť,” píšu vedci.
Autori štúdie na svojom materiály ďalej pracujú. Momentálne skúmajú rôzne ďalšie možnosti, no jedným z ich cieľov je nájsť mechanicky lepšie štruktúry materiálov. Tie by mohli umožniť škálovať tento dizajn a neskôr ho eventuálne použiť aj pri výstavbe novej mestskej infraštruktúry. Tá by sa stala oveľa bezpečnejšou.
Komentáre