هوشمندترین پوسته جهان؟ ماده زرهی جدید که به صورت بلادرنگ به تصادفات و ضربه‌ها واکنش نشان می‌دهد

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، طبیعت میلیون‌ها سال را صرف ایجاد حفاظت بهتر کرده است. به لاک لاک‌پشت، پوسته بیرونی سخت خرچنگ یا درون براق یک صدف دریایی فکر کنید. اینها فقط برای نمایش نیستند.

آنها با پخش کردن نیرو، جذب ضربه‌ها و خم شدن به جای شکستن، به حیوانات کمک می‌کنند تا زنده بمانند. اکنون، مهندسان از همان ایده‌ها برای ایجاد نوع جدیدی از مواد ساخت بشر استفاده می‌کنند.

آنها به ویژه با الهام از صدف‌های دریایی، یک ماده مصنوعی لایه لایه ساخته‌اند که نه تنها ضربه را تحمل نمی‌کند، بلکه با آن سازگار می‌شود.

هر لایه طوری طراحی شده است که واکنش متفاوتی نشان دهد و همه لایه‌ها با هم کار می‌کنند تا ضربه را ملایم‌تر کنند.

این مطالعه جدید که توسط پروفسور شلی ژانگ، استاد مهندسی عمران و محیط زیست از دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین و پروفسور اوله زیگموند از دانشگاه فنی دانمارک رهبری می‌شود، نشان می‌دهد که چگونه این ماده می‌تواند روزی چیز‌هایی مانند سپر خودرو یا محافظ‌های پوشیدنی را بسیار هوشمندتر و ایمن‌تر کند.

فراتر از زیست تقلید

یک راه عملی برای پیشرفت ممکن است ساده به نظر برسد: فقط نحوه عملکرد لایه‌های محافظ طبیعی را کپی کنید.

اما محققان تصمیم گرفتند یک قدم فراتر بروند. آنها به جای مهندسی معکوس طبیعت، روشی را برای برنامه‌ریزی لایه‌های منفرد برای همکاری با یکدیگر تحت فشار توسعه دادند.

یک ماده طبیعی به طور خاص برجسته بود: صدف مروارید یا مادر مروارید. صدف مروارید که در داخل پوسته نرم‌تنان مانند صدف و صدف آبالون یافت می‌شود، از لایه‌های میکروسکوپی ساخته شده است که آن را هم سخت و هم به طرز شگفت‌آوری بادوام می‌کند.

دانشمندان مدت‌هاست که آن را به خاطر اینکه چقدر خوب نیرو را بدون ترک خوردن جذب می‌کند، تحسین می‌کنند.

آنها با الهام از استحکام صدف، لایه‌های مصنوعی طراحی کردند که به شیوه‌ای هماهنگ و تطبیقی واکنش نشان می‌دهند.

ژانگ گفت: «ما به این ایده رسیدیم که مواد چندلایه طراحی کنیم که هر لایه بتواند خواص و رفتار‌های متفاوتی از خود نشان دهد.»

این رفتار جمعی نشان‌دهنده‌ی تغییر از رویکرد‌های قبلی است که لایه‌ها را ایزوله یا ایستا در نظر می‌گرفتند.

در این طراحی جدید، لایه‌ها به طور فعال با هم همکاری می‌کنند و نحوه‌ی انتقال نیرو از طریق ماده را تغییر می‌دهند.

کمانش به عنوان یک ویژگی استفاده می‌شود، نه شکست

کمانش زمانی اتفاق می‌افتد که یک ماده ناگهان تحت فشار خم شود یا فرو بریزد، مانند زمانی که یک قوطی فلزی تحت نیروی بیش از حد خرد می‌شود.

در بیشتر موارد، این نشان دهنده شکست است. اما در اینجا، محققان از آن به عنوان یک پاسخ کنترل شده استفاده می‌کنند.

بسته به ضربه، لایه‌های مصنوعی به صورت مرحله‌ای خم می‌شوند. این واکنش پلکانی به پخش شدن نیرو و جذب انرژی بیشتر نسبت به مواد ضربه‌گیر سنتی کمک می‌کند.

ژانگ گفت: «این کار حاصل بحثی با همکارم، پروفسور زیگموند، در مورد چگونگی دستیابی به برخی رفتار‌های بسیار افراطی بود، اما همیشه یک حد فیزیکی یا حد بالایی وجود دارد که مواد منفرد می‌توانند به آن دست یابند، حتی با برنامه‌نویسی.»

«این امر ما را به این فکر انداخت که چه نوع مهندسی می‌تواند برخی از رفتار‌های عجیب و غریب مواد مورد نیاز در زندگی واقعی را ممکن سازد. به عنوان مثال، رفتار‌های کمانش شدید می‌تواند به اتلاف انرژی برای چیز‌هایی مانند سپر خودرو کمک کند.»

برنامه‌نویسی در مقیاس میکرو، بازی را تغییر می‌دهد

محققان فقط به هر لایه خواصی اختصاص ندادند، بلکه ارتباطات سطح خرد بین آنها را برنامه‌ریزی کردند و ماده‌ای ساختند که مانند یک واحد هوشمند و واحد عمل می‌کند.

ژانگ گفت: «چارچوب جدید ما مزایای متعددی نسبت به روش‌های موجود برای پاسخ‌های تنش-کرنش غیرخطی ارائه می‌دهد.»

«این روش، لایه‌های چندگانه‌ی صدف‌مانند را به همراه اتصالات داخلی آنها در یک چیدمان پیوسته بهینه می‌کند، که در مقایسه با کار‌های مشابه شامل چیدمان تک‌لایه یا ساختار‌های شبکه‌ای، فضای طراحی را به طور قابل توجهی گسترش می‌دهد.»

آزمایشگاه تا دنیای واقعی: رمزگشایی عدم تطابق

وقتی تیم نمونه‌های اولیه فیزیکی را ساخت، مواد دقیقاً مطابق پیش‌بینی مدل‌ها رفتار نکردند. اما محققان این را مفید دانستند.

ژانگ گفت: «اختلافی که ما پیدا کردیم چیزی است که همیشه در زندگی واقعی اتفاق می‌افتد.

اما ما می‌توانیم این اطلاعات را مهار کنیم تا عمداً توالی کمانش هر یک از سلول‌های منفرد را در مونتاژ برنامه‌ریزی کنیم، مقداری اطلاعات را در داخل ذخیره کنیم و بعداً بتوانیم اطلاعات را رمزگشایی کنیم. ثبت این اختلاف و اینکه در نهایت اطلاعات لازم برای بهبود کار را فراهم کند، جذاب بود.

ژانگ می‌گوید تولید در مقیاس بزرگ هنوز یک مانع است. اما ایده اصلی همین الان هم یک پیشرفت بزرگ است. او گفت: «فکر می‌کنم برای مواد هم همینطور است.

وقتی مواد مختلف به صورت جمعی با هم کار می‌کنند، می‌توانند کار‌هایی انجام دهند که بسیار تأثیرگذارتر از زمانی است که به صورت جداگانه انجام می‌شوند.