Istraživači sa Univerziteta Kolorado u Boulderu razvijaju novu klasu materijala čija se čvrstoća ne zasniva na hemijskim vezama, već na geometrijskom međusobnom uklapanju čestica. Inspiraciju su pronašli u prirodi - u strukturama poput čička ili ptičjeg gnezda - gde stabilnost proizlazi iz načina na koji se elementi fizički prepliću.
Isprepletenost materijala omogućava visoku otpornost i stabilnost (Foto: CU Boulder)
Reč je o materijalima čija struktura podseća na nasumično uvezanu masu, nalik gomili kancelarijskih spajalica. Iako deluju neuređeno, upravo takav raspored omogućava visoku otpornost i stabilnost, uz zadržavanje sposobnosti da se sistem brzo vrati u rastresito stanje pod određenim uslovima.
Oblik čestica kao ključ performansi
U fokusu istraživanja nalazi se isprepletanost, odnosno način na koji se pojedinačne čestice međusobno povezuju. Za razliku od peska, čija zrna zbog glatke i konveksne forme lako klize jedno preko drugog, posebno oblikovane čestice mogu da se mehanički povežu među sobom i formiraju koherentnu strukturu bez potrebe za lepkom.
Oglas
Profesor Francois Barthelat, koji vodi Laboratoriju za napredne materijale i bioinspiraciju, navodi da su se istraživači godinama bavili geometrijom kao osnovom za razvoj materijala, ali da su se tek nedavno fokusirali na koncept međusobno upletenih čestica. Kako ističe, kombinacija svojstava koju ovakvi sistemi nude otvara brojne mogućnosti za primenu.
Istraživanja su pokazala da oblik čestica ima presudan uticaj na njihovo ponašanje. Doktorand Youhan Sohn objašnjava da promena geometrije može značajno uticati na mehaničke karakteristike, uključujući sposobnost povezivanja sa drugim česticama.
Korišćenjem Monte Carlo simulacija identifikovan je optimalan oblik - čestice nalik spajalicama sa dva kraka, koje se međusobno kače i formiraju stabilnu celinu.
Laboratorijska ispitivanja potvrdila su da ovako formirani materijali istovremeno poseduju veliku zateznu čvrstoću i mehaničku izdržljivost, što predstavlja retku kombinaciju u savremenim konstrukcionim materijalima.
Kontrola strukture uz pomoć vibracija
Posebna prednost ovih materijala ogleda se u njihovom odgovoru na vibracije. Za razliku od klasičnih konstrukcija, koje su trajne i zahtevaju destruktivne metode za uklanjanje, isprepleteni materijali mogu se kontrolisano sastavljati i rastavljati.
Primena različitih frekvencija vibracija omogućava regulaciju nivoa međusobnog povezivanja čestica. Slabije vibracije dovode do njihovog učvršćivanja i formiranja krute strukture, dok intenzivnije vibracije uzrokuju potpuno razdvajanje i povratak u rastresito stanje.
Barthelat navodi da je reč o neobičnom materijalu koji nije ni klasična čvrsta materija ni tečnost, što otvara nove inženjerske mogućnosti i pristupe u projektovanju.
Potencijal u građevinarstvu i robotici
Mogućnosti primene ovakvih materijala posebno su značajne za građevinski sektor. Umesto rušenja objekata poput mostova, u budućnosti bi konstrukcije mogle biti "rasklopljene" i ponovo iskorišćene, čime bi se značajno unapredio koncept cirkularne ekonomije.
Pored toga, tehnologija ima potencijal u oblasti robotike, naročito kod sistema zasnovanih na većem broju manjih jedinica. Takvi roboti mogli bi da se povezuju u funkcionalne strukture, a zatim razdvajaju radi kretanja kroz uske prostore, što podseća na transformacije iz naučne fantastike.
Istraživači trenutno rade na unapređenju sistema kroz razvoj čestica sa više "krakova", inspirisanih biljnim strukturama koje omogućavaju još jače međusobno povezivanje.
Rezultati istraživanja objavljeni su u časopisu Journal of Applied Physics, a dalji razvoj ove tehnologije mogao bi značajno da utiče na budućnost projektovanja, izgradnje i održivosti u građevinarstvu.
