Технології
Технології

Кольчуга з восьмигранників збільшила жорсткість після стискання

Американські та сингапурські дослідники надрукували на 3D-принтері кольчугу з пластикових октаедрів та під тиском змусили частинки зблизитися. Так з'ясувалося, що полотно здатне підвищити свою жорсткість принаймні у 25 разів та витримати навантаження у півтора кілограма, що в 30 разів перевищує вагу кольчуги. Вчені змоделювали цей процес та дійшли висновку, що своїх механічних якостей матеріал набуває завдяки фазовому переходу, що змушує частинки ущільнюватися. Свою роботу вони описали у Nature.

Nanyang Technological University

Nanyang Technological University

Навіщо взагалі потрібна кольчуга з октаедрів?

За визначенням, розумними тканинами ми можемо вважати матеріали, що призначені для активного носіння, та які реагують на подразники навколишнього середовища, фіксуючи їх або змінюючи свої властивості. Це і моніторинг здоров'я (наприклад, пульсу або оксигенації), і збір таким чином енергії, і підтримка сенсорних вмінь (наприклад, тактильних відчуттів). Тому очевидно, що при згадуванні словосполучення «розумна тканина», одразу уявляється матеріал із «розумними» компонентами як-то електронні схеми для датчиків, матеріали з фазовими переходами для терморегуляції чи фотоелектричні матеріали для збору сонячної енергії. Втім, тканини і самі по собі можуть стати розумними, якщо завдяки своїм адаптовним чи регульованим механічним властивостям, зможуть забезпечувати механічний зворотний зв'язок з тими, хто їх вдягнув. Стандартним підходом є зміна хімічного складу чи наноструктури матеріалів, однак набагато легшою є розробка «архітектурних» матеріалів, які мають задану топологію і морфологію у масштабі від декількох мікрометрів до декількох міліметрів, а також додаткові композитні субструктури.

У своїй роботі матеріалознавці вирішили переглянути конструкцію кольчуги, тієї самої, що захищала воїнів скріпленими металевими кільцями. Вона має високу міцність на розрив, що захищало власника від ударів зброї, але є достатньо гнучкою, щоб її можна було носити на тілі (хоча ми не сперечаємося з тим, що носити її все ж було важко). З точки зору матеріалознавства, кольчуга це конструкція з топологічно пов'язаних елементів - дискретних гранульованих частинок. На відміну від інших тканин, які виткані або зв'язані з безперервного матеріалу (такого як волокна і дріт), кольчуга вміє оборотно перемикатися між м'яким і жорсткими станами. На думку дослідників, виготовлений за подібним принципом матеріал зможе активно використовуватися як інтелектуальний натільний пристрій і стати основою і для бронежилетів, і для розумних екзоскелетів, і навіть для мостобудування.

Випробування навантаженням розробленого полотна / Nanyang Technological University

Випробування навантаженням розробленого полотна / Nanyang Technological University

Що зробить кольчугу розумною?

Як ми вже вказали, вчені звернулися до кольчужної конструкції через здатність змінювати свою жорсткість. Це пояснюється фазовим переходом - заклинюванням, який докорінно змінює механічні властивості матеріалу, перетворюючи його з гнучкої піддатливої тканини у жорстку оболонку. Заклинювання контролюється локальними геометричними обмеженнями гранульованої речовини, тож не залежить, наприклад, від температурних змін. Він дає змогу неврегульованим гранульованим системам зворотно перемикатися між пластичністю і жорсткістю, тож його активно використовують для створення інтелектуальних матеріалів з адаптивними механічними властивостями, наприклад, в м'яких роботизованих захопленнях, матеріалах, що вміють поглинати удари, та реконфігурованих архітектурах. А на відміну від гранульованих систем, такий перехід у кольчузі може відбуватися лише при вигині або при розтягуванні через зчеплення її конструктивних елементів. Тож у своїй роботі дослідники переглянули механіку кольчуги та спробували змінити її властивості розтягування і вигину, використовуючи обмежуючий тиск в якості рушійної сили.

Контакти частинок у розслабленому (А) та зціпленому стані (Б). Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Контакти частинок у розслабленому (А) та зціпленому стані (Б). Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Яку тканину надрукували вчені?

Натхнені обладунками і топологічно взаємопов'язаними елементами, матеріалознавці розробили структуровану тканину, що складається з двох шарів пов'язаних гранульованих частинок. Кожна частинка являє собою порожню тривимірну структуру октаедричної форми, обертальна симетрія якої дає змогу формувати квадратну решітку взаємозалежної конфігурації, а гострі кути дозволяють зміцнити контакти між шарами елементів. Кольчуга створюється шляхом повороту сусідніх частинок на 90 градусів відносно один одного і друкується з нейлонового пластику на 3D-принтері. Отримані структуровані шари уклали один на одного, а оскільки вони фізично не пов'язані, матеріал набув додаткової гнучкості. Далі його уклали у повітронепроникну гнучку оболонку, з якої відкачали повітря та спровокували заклинювальний перехід. Тобто тиск оболонки на листи викликав ущільнення і заклинювання октаедрів всередині кольчуги і між шарами. Щоб зрозуміти основні механізми мезомасштабної деформації, дослідники виконали чисельне моделювання різних архітектур кольчуг при розтягуванні або вигині та за різного тиску. Розрахунки показали, що взаємодія саме зчеплених між собою частинок грає центральну роль у фазовому переході до заклинювання, причому інші неопуклі тривимірні фігури також продемонстрували подібні властивості. Так збільшення модуля пружності масштабується як степеневий розподіл числа контактів між частинками.

Експеримент із бусиною з неіржавної сталі, що падає на поверхню кольчуги зі швидкістю трьох метрів на секунду за нульового тиску. Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Експеримент із бусиною з неіржавної сталі, що падає на поверхню кольчуги зі швидкістю трьох метрів на секунду за нульового тиску. Yifan Wang et al. / Nature, 2021

В результаті збільшення тиску з 0 до 93 кілопаскалей, жорсткість кольчуги зросла у 25 разів. Причому обсяг при стисненні зменшувався не більше ніж на 5 відсотків завдяки невеликим змінам щільності укладки частинок. Якщо розкласти кольчугу у пласку конструкцію, полотно здатне витримувати навантаження у півтора кілограма, що в 30 разів перевищує його власну вагу. Також матеріал виявився ударостійким: вчені підвісили його та запускали сталеві кульки масою 30 грамів та діаметром 1,27 сантиметра зі швидкістю три метри на секунду. Так ослаблена тканина деформувалася на величину до 26 міліметрів після удару, а жорстка деформувалася всього на три міліметри. Підвищення тиску до 67 кілопаскалів здатне підвищити ударостійкість кольчуги в шість разів.

Експеримент з тією ж намистиною, але вже за тиску у 67 кілопаскаль. Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Експеримент з тією ж намистиною, але вже за тиску у 67 кілопаскаль. Yifan Wang et al. / Nature, 2021

Вчені вважають, що їхній матеріал можна суміщати з різними оболонками та створювати екзоскелети для біомедичного, спортивного або військового застосування. Так завдяки деформованості з'явиться можливість регулювати жорсткість конструкції та підлаштовувати її під вимоги пацієнтів. Так само полотно можна буде обтягнути кевларом та створювати бронежилети, а можливість згортати полотно дасть змогу масштабувати його навіть для цивільного будівництва: для створення тимчасового притулку або моста.