Такие материалы, как автомобильные шины, ткани человека и паутина, различаются по составу, но все они содержат сети взаимосвязанных нитей. Давний вопрос о прочности этих материалов звучит так: какая энергия требуется для разрушения этих разнообразных сетей? Недавно опубликованная статья исследователей из Массачусетского технологического института предлагает новые идеи.
«Наши результаты показывают, что существует простой общий закон, который определяет энергию разрушения сетей из различных материалов и в разных масштабах длины», — говорит Сюаньхэ Чжао, профессор Массачусетского технологического института по инженерному делу, гражданской и экологической инженерии, а также профессор по инженерному делу в области механики и машиностроения. «Это открытие имеет большое значение для разработки новых материалов, конструкций и метаматериалов, позволяя создавать невероятно прочные, мягкие и растягивающиеся системы».
Несмотря на устоявшееся представление о важности устойчивости к разрушениям при проектировании таких сетей, до сих пор не существовало физической модели, которая бы эффективно связывала механику нитей и их связность для прогнозирования объёмного разрушения. Это новое исследование выявляет универсальный закон масштабирования, который объединяет масштабы длины и позволяет прогнозировать внутреннюю энергию разрушения различных сетей.
«Эта теория помогает нам предсказать, сколько энергии потребуется, чтобы разрушить эти сети, продвигая трещину, — говорит аспирант Чейз Хартквист, один из ведущих авторов статьи. — Оказывается, можно создать более прочные версии этих материалов, сделав нити длиннее, более эластичными или устойчивыми к более высоким нагрузкам, прежде чем они разрушатся».
Чтобы подтвердить свои результаты, команда напечатала на 3D-принтере гигантскую растягивающуюся сеть, что позволило им продемонстрировать свойства разрушения на практике. Они обнаружили, что, несмотря на различия в сетях, все они подчиняются простому и предсказуемому правилу. Помимо изменений в самих нитях, сеть можно сделать более прочной, соединив нити в более крупные петли.
«Регулируя эти свойства, можно продлить срок службы автомобильных шин, повысить устойчивость тканей к повреждениям, а паутину сделать более прочной», — говорит Хартквист.
Шу Ван, научный сотрудник лаборатории Чжао и соавтор статьи, назвал результаты исследования «чрезвычайно важным моментом... это означало, что одни и те же правила можно применять для описания самых разных материалов, что упрощает разработку наилучшего материала для конкретной ситуации.»
Исследователи объясняют, что эта работа представляет собой прогресс в захватывающей и развивающейся области под названием «архитектурные материалы», где структура самого материала придаёт ему уникальные свойства. По их словам, это открытие проливает свет на то, как сделать эти материалы ещё более прочными, сосредоточившись на разработке более прочных и эластичных сегментов внутри архитектуры.
Эта стратегия применима к материалам из разных областей и может быть использована для повышения долговечности мягких роботизированных приводов, увеличения прочности искусственных тканей или даже для создания прочных решёток для аэрокосмических технологий.