Природа вдохновляет на создание инновационных изобретений. Например, высокоскоростной поезд «Синкансэн» в Японии имеет аэродинамический дизайн, созданный по образцу зимородка. А липучка была изобретена швейцарским инженером после того, как он заметил, что у репейника есть крошечные крючки.
Теперь учёные обратились к маленькому подводному хищнику — креветке-богомолу. Это яркое беспозвоночное способно разбивать раковины моллюсков с силой пули калибра .22 благодаря уникальным структурам, которые делают его экзоскелет удивительно прочным.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали синтетические версии этих структур и протестировали их ударопрочность, обстреливая их микроснарядами. Они обнаружили, что регулировка определённых параметров структур изменяет то, как они поглощают и рассеивают энергию удара.
«Результаты этого исследования знаменуют собой важный шаг вперёд в дизайне биоинспирированных материалов, которые могут быть применены в аэрокосмической отрасли, например, для помощи космическим аппаратам в выживании при столкновении с микрометеороидами и защиты спутников на орбите от столкновений с космическим мусором», — сказал инженер-исследователь материалов NIST Эдвин Чан.
Другие потенциальные применения включают улучшение пуленепробиваемого стекла, создание взрывоустойчивых строительных материалов и более защитных шлемов. Чан и его коллеги опубликовали свои выводы в «Proceedings of the National Academy of Sciences».
Идея этого исследования возникла у Суджин Ли, которая пришла в NIST в качестве постдокторанта Национального исследовательского совета (NRC). Ли хотела понять, почему придаток креветки-богомола не ломается, когда она разбивает раковины других существ. Чана также заинтересовала эта концепция, и они разработали исследовательский проект, чтобы это выяснить.
«Когда человек кого-то ударяет, его руке больно, а вот креветке-богомолу нет», — сказал Чан. Во всяком случае, так кажется. Ли и Чан уже знали, что это связано с микроскопическими структурами Булиганда в экзоскелете креветки.
Структуры Булиганда — это универсальная материальная платформа для обеспечения ударопрочности в природе, и мы хотели узнать о них больше, поэтому произвели и протестировали их в лаборатории», — сказал Чан.
Ли и Чан синтезировали структуры из целлюлозных нанокристаллов, которые содержатся в растительных волокнах. Нанокристаллы самоорганизовались в пластины, которые накладывались друг на друга, как вращающиеся стопки фанеры. Эти стопки сформировали их синтетические структуры Булиганда.
Затем исследователи модифицировали кристаллы с помощью высокочастотных звуковых волн, прежде чем собрать их в тонкие плёнки, которые служили их тестовым материалом.
Далее они проверили ударопрочность тонких плёнок, обстреливая их микроснарядами со скоростью до 600 метров в секунду. Микроснаряды из диоксида кремния были запущены к цели с помощью лазера высокой интенсивности. Исследователи записали изображения попадания микроснарядов в тонкие плёнки с помощью сверхбыстрой камеры.
На основе этих изображений исследователи заметили, что микроснаряд может оставить постоянное углубление, одновременно отскакивая назад, как теннисный мяч, ударяющийся о землю. Степень углубления и величина отскока зависели от того, как энергия рассеивалась в виде ударных волн после удара микроснаряда.
Исследователи обнаружили, что они могут регулировать рассеивание энергии, точно настраивая различные факторы, влияющие на механические свойства образца, такие как увеличение толщины нанокристаллов или изменение их плотности. Они обнаружили, что микроснаряды оставляли постоянные углубления в более тонких плёнках, но более толстые плёнки превосходно перенаправляли ударные волны от удара.
NIST работал над этим проектом в рамках своей миссии по разработке передовых методов измерения, которые могут быть полезны для промышленности США. Исследователи могут использовать методы измерения, разработанные для этого проекта, для дальнейшей разработки ударопрочных материалов на основе структур Булиганда, а также других типов передовых материалов со специальными свойствами.
«Эти результаты показывают, что существуют разные способы проектирования материалов для поглощения ударов, и мы можем использовать эти знания для создания более устойчивых и долговечных материалов», — сказал Чан. «Если вы боксёр на ринге, вы хотите провести девять раундов, а не один».
Предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий.
Читайте оригинальную статью здесь.