Предсказанные сто лет назад "шварциты" обрели трёхмерную форму
Инженеры из Университета Райса напечатали на 3D-принтере прочные и лёгкие строительные блоки, которые долгие годы существовали только в теории. Такой замысловатый материал может быть использован при изготовлении самых разных структур, от наномасштабных устройств до новых аккумуляторов, и даже в строительстве.
Необычные структуры, которые долгое время существовали лишь в виде математических формул и чертежей, впервые были описаны в конце девятнадцатого века немецким математиком Карлом Германом Амандусом Шварцем, в честь которого и получили название "шварциты". Он рассчитал, что используя небольшое количество материала можно создавать пористые и при этом невероятно прочные блоки. Но до появления технологий трёхмерной печати воплотить идею в жизнь не представлялось возможным.
Специалист по материалам Пуликель Аджаян (Pulickel Ajayan) и его коллеги создали компьютерную модель, которая имитировала не только замысловатую структуру, но и свойства шварцитов на молекулярном уровне, а затем напечатали полимерные кубы на 3D-принтере.
В своей работе команда опиралась на исследования своих коллег из Массачусетского технологического института, которые раскрыли секрет прочности раковин морских моллюсков, а именно способность природных защитных оболочек выдерживать огромное давление за счёт распределения нагрузки по всей сводчатой поверхности.
Созданные командой Аджаяна полимерные структуры обладают сложной геометрией и похожи на произведения современного искусства. Внешние и внутренние поверхности блоков изогнуты определённым образом, что придаёт им невероятную прочность.
"Шварциты показали отличные характеристики в тестах на деформацию, – рассказывает соавтор исследования Чандра Сехар Тивари (Chandra Sekhar Tiwary). – Очень важно понимать, как происходит процесс разрушения материала, и желательно, чтобы это происходило не мгновенно, а постепенно. Эти структуры прекрасны, потому что, если применить силу с одной стороны, они медленно деформируются слой за слоем. Из этого материала вы можете построить целое здание, и если что-то на него упадёт, оно станет разрушаться медленно, а всё, что находится внутри, будет защищено".
Шварциты могут иметь самую разную форму. Пока учёные сосредоточились на довольно простых блоках с небольшим числом повторяющихся поверхностей. Компьютерная модель и испытания напечатанных образцов показали, что вне зависимости от того, с какой стороны применяется сила, нагрузка равномерно распределяется по всей структуре.
Теперь исследователи планируют напечатать шварциты на принтере с более высоким разрешением, а также использовать для печати меньше полимерного материала, чтобы блоки стали ещё легче. Кроме того, они собираются сделать более масштабные образцы из керамики и металла, которые можно было бы использовать для строительства.
"Нет никаких причин, чтобы делать их исключительно в форме правильных блоков, – отмечает ещё один соавтор исследования Питер Оуор (Peter Owuor). – Мы создаём идеальные "кристаллы", начинающиеся с одной ячейки, которую мы можем воспроизвести во всех направлениях".
Более подробно с результатами исследования можно ознакомиться в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials .
Напомним, что трёхмерная печать раздвинула границы создаваемых человеком форм до невероятных пределов. Здесь можно упомянуть сложнейшие имплантаты, в частности, детали скелета человека и каркасы для живых клеток, а также структуры, которые способны менять форму и многое другое.