A fost inventat un beton inspirat din celulele osoase. Este de cinci ori mai rezistent decât unul normal
Cercetătorii au folosit robotica și producția aditivă pentru a întări materialul pe bază de ciment cu tuburi goale plasate cu precizie. Rezultatul este de peste 5 ori mai rezistent decât omologii săi, arată Science Daily.
Inspirați de arhitectura stratului exterior dur al osului uman, inginerii de la Princeton au dezvoltat un material pe bază de ciment care este de 5,6 ori mai rezistent la deteriorări decât omologii standard. Designul de inspirație biologică permite materialului să reziste la fisurare și să evite defectarea bruscă, spre deosebire de omologii convenționali, pe bază de ciment fragil.
A fost inventat un beton inspirat din celulele osoase
Într-un articol din 10 septembrie, publicat în revista Advanced Materials, echipa de cercetare condusă de Reza Moini, profesor asistent de inginerie civilă și de mediu, și Shashank Gupta, candidat la doctorat în anul al treilea, demonstrează că pasta de ciment desfășurată cu o arhitectură tubulară poate crește semnificativ rezistența la propagarea fisurilor și poate îmbunătăți capacitatea de a se deforma fără defecțiuni bruște.
„Una dintre provocările în ingineria materialelor de construcție fragile este că acestea cedează într-un mod brusc, catastrofal”, a declarat Gupta, potrivit Science Daily.
În cazul materialelor de construcție fragile utilizate în construcții și în infrastructura civilă, rezistența asigură capacitatea de a susține sarcini, în timp ce tenacitatea susține rezistența la fisurare și răspândirea daunelor în structură. Tehnica propusă abordează aceste probleme prin crearea unui material care este mai rezistent decât omologii convenționali, menținând în același timp rezistența.
Moini a declarat că cheia îmbunătățirii constă în proiectarea intenționată a arhitecturii interne, prin echilibrarea tensiunilor din fața fisurii cu răspunsul mecanic general.
„Utilizăm principiile teoretice ale mecanicii fracturilor și ale mecanicii statistice pentru a îmbunătăți proprietățile fundamentale ale materialelor „prin proiectare””, a spus el.
Echipa s-a inspirat din osul cortical uman, învelișul exterior dens al femurului uman care asigură rezistența și rezistă la fracturi. Osul cortical este format din componente tubulare eliptice cunoscute sub numele de osteoni, încorporate slab într-o matrice organică. Această arhitectură unică deviază fisurile în jurul osteonilor. Acest lucru previne ruperea bruscă și crește rezistența generală la propagarea fisurilor, a declarat Gupta.
Designul bioinspirat al echipei încorporează tuburi cilindrice și eliptice în pasta de ciment care interacționează cu fisurile care se propagă.
„Ne așteptăm ca materialul să devină mai puțin rezistent la fisuri atunci când sunt încorporate tuburi goale”, a spus Moini. „Am învățat că, profitând de geometria, dimensiunea, forma și orientarea tuburilor, putem promova interacțiunea fisură-tub pentru a îmbunătăți o proprietate fără a sacrifica alta.”
Echipa a descoperit că o astfel de interacțiune fisură-tub îmbunătățită inițiază un mecanism de întărire în trepte, în care fisura este mai întâi prinsă de tub și apoi întârziată în propagare, ceea ce duce la disiparea de energie suplimentară la fiecare interacțiune și treaptă.
„Ceea ce face ca acest mecanism în trepte să fie unic este faptul că fiecare extensie a fisurii este controlată, prevenind cedarea bruscă, catastrofală”, a declarat Gupta. „În loc să se rupă dintr-o dată, materialul suportă deteriorări progresive, ceea ce îl face mult mai rezistent”.
Este de cinci ori mai rezistent decât unul normal
Spre deosebire de metodele tradiționale care consolidează materialele pe bază de ciment prin adăugarea de fibre sau materiale plastice, abordarea echipei Princeton se bazează pe proiectarea geometrică. Prin manipularea structurii materialului în sine, ei obțin îmbunătățiri semnificative ale rezistenței fără a fi nevoie de material suplimentar.
În plus față de îmbunătățirea rezistenței la fractură, cercetătorii au introdus o nouă metodă de cuantificare a gradului de dezordine, o mărime importantă pentru proiectare. Pe baza mecanicii statistice, echipa a introdus parametri pentru a cuantifica gradul de dezordine în materialele arhitecturale. Acest lucru le-a permis cercetătorilor să creeze un cadru numeric care să reflecte gradul de dezordine al arhitecturii.
Cercetătorii au afirmat că noul cadru oferă o reprezentare mai precisă a aranjamentelor materialului, orientându-se către un spectru de la ordonat la aleatoriu, dincolo de clasificările binare simple de periodic și neperiodic. Moini a declarat că studiul face o distincție cu abordările care confundă neregularitatea și perturbarea cu dezordinea statistică, cum ar fi tessellation Voronoi și metodele de perturbare.
„Această abordare ne oferă un instrument puternic pentru a descrie și proiecta materiale cu un grad adaptat de dezordine”, a spus Moini. „Utilizarea metodelor avansate de fabricare, cum ar fi fabricarea aditivă, poate promova în continuare proiectarea unor structuri mai dezordonate și mai favorabile din punct de vedere mecanic și poate permite extinderea acestor modele tubulare pentru componentele infrastructurii civile cu beton.”
De asemenea, echipa de cercetare a dezvoltat recent tehnici care permit o precizie foarte mare, folosind robotica și fabricarea aditivă. Prin aplicarea acestora la noi arhitecturi și combinații de materiale dure sau moi în interiorul tuburilor, ei speră să extindă și mai mult posibilitățile de aplicații în materialele de construcție.
