Τα ανθρώπινα μηριαία οστά έχουν εμπνεύσει ένα νέο δομικό υλικό με βάση το τσιμέντο, το οποίο είναι πολλές φορές ισχυρότερο από το παραδοσιακό σκυρόδεμα. Αλλά ο σχεδιασμός που μοιάζει με κόκκαλο δεν αντλεί την ελαστικότητά του από τυχόν νέα πρόσθετα, αλλά από το κούφιο σχήμα του.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 10 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Προηγμένα Υλικάερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον παρουσίασαν πώς η τσιμεντόπαστα διαμορφωμένη σε κοίλες, σωληνοειδείς αρχιτεκτονικές μπορεί να δημιουργήσει δομικά στοιχεία έως και 5,6 φορές πιο ανθεκτικά σε ρωγμές ή «ξαφνική αστοχία» από το τυπικό σκυρόδεμα – μια σημαντική κατασκευαστική ανησυχία.
«Μία από τις προκλήσεις στη μηχανική εύθραυστων δομικών υλικών είναι ότι αποτυγχάνουν με απότομο, καταστροφικό τρόπο», δήλωσε ο Shashank Gupta, υποψήφιος διδάκτορας μηχανικής και συν-συγγραφέας της μελέτης. συνοδευτική δήλωση τη Δευτέρα.
Η διάλυσή τους προέρχεται από το πυκνό εξωτερικό κέλυφος ενός ανθρώπινου μηριαίου οστού, γνωστό ως φλοιώδες οστό. Σε αυτό το ζωτικό στρώμα, πολυάριθμα ελλειπτικά, σωληνοειδή μέρη που ονομάζονται οστεόνια αιωρούνται σε μια οργανική μήτρα, η οποία στη συνέχεια περιβάλλονται από σχετικά αδύναμες διεπαφές, που συμπτωματικά ονομάζονται επίσης «γραμμές τσιμέντου».
Κάθε φορά που ασκείται πίεση στο οστό, αυτές οι γραμμές τσιμέντου παρέχουν μια «μικροδομικά προτιμώμενη διαδρομή ρωγμής», γράφουν οι συγγραφείς της μελέτης, «εξ ου και πυροδοτώντας την εκτροπή της ρωγμής στο επίπεδο γύρω από τα οστεόνια λόγω της αλληλεπίδρασης γραμμής τσιμέντου-ρωγμής».
«Περιμένει κανείς ότι το υλικό θα γίνει λιγότερο ανθεκτικό στη ρωγμή όταν ενσωματώνονται κοίλοι σωλήνες», δήλωσε ο Ρέζα Μοΐνι, επίκουρος καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής και επικεφαλής μελέτης, στην ανακοίνωση της Δευτέρας. «Μάθαμε ότι εκμεταλλευόμενοι τη γεωμετρία, το μέγεθος, το σχήμα και τον προσανατολισμό του σωλήνα, μπορούμε να προωθήσουμε την αλληλεπίδραση ρωγμής-σωλήνα για να βελτιώσουμε μια ιδιότητα χωρίς να θυσιάσουμε μια άλλη».
[Related: ‘Zero emission’ electric cement is an ‘absolute miracle.’]
Χρησιμοποιώντας αυτές τις ιδιότητες, οι μηχανικοί προσάρμοσαν μοντέλα παραγωγής σκυροδέματος και δοκίμασαν εάν ήταν βιοεμπνευσμένα, παρόμοια κοίλα σχήματα ενίσχυαν την αντοχή τους. Σε αντίθεση με άλλες παραλλαγές σκυροδέματος, ωστόσο, τα νέα υλικά δεν απαιτούσαν πρόσθετα όπως ίνες ή πλαστικά. Αντίθετα, βασίστηκαν απλώς σε ακριβή γεωμετρικά σχέδια.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, η ομάδα του Moini ανακάλυψε ότι οι βελτιωμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ρωγμών τάσης και του κοίλου σωλήνα δημιούργησαν έναν «σταδιακό μηχανισμό σκλήρυνσης». Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, μια ρωγμή περιέχεται μέσα στο σωλήνα και εμποδίζεται να εξαπλωθεί πολύ μακριά. Όταν οι ρωγμές εξαπλώνονται, η ενέργεια διαχέεται σε κάθε βήμα για να μειώσει την έκταση της ζημιάς.
«Αυτό που κάνει αυτόν τον σταδιακό μηχανισμό μοναδικό είναι ότι κάθε επέκταση ρωγμής ελέγχεται, αποτρέποντας την ξαφνική, καταστροφική αποτυχία», είπε ο Gupta. “Αντί να σπάσει όλα με τη μία, το υλικό αντέχει προοδευτική ζημιά, καθιστώντας το πολύ πιο σκληρό.”
Ο Gupta πιστεύει ότι η ομάδα έχει «μόνο αρχίσει να διερευνά τις δυνατότητες» του νέου, εμπνευσμένου από κόκαλο δομικού υλικού. Σημειώνει ότι υπάρχουν πολλές περισσότερες μεταβλητές για έρευνα, συμπεριλαμβανομένης της αλλαγής του μεγέθους, του προσανατολισμού και του σχήματος των σωλήνων. Στο μέλλον, τα ευρήματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να εφαρμοστούν σε άλλα εύθραυστα μηχανολογικά υλικά για να βοηθήσουν στην ακόμα μεγαλύτερη ενίσχυση των κτιρίων.
VIA: popsci.com
