Идеальный баланс: Легкость и прочность
Одно из ключевых направлений современной науки о материалах – поиск структур с оптимальным сочетанием прочности и легкости. Чем совершеннее это соотношение, тем шире возможности применения. Особый интерес вызывают упорядоченные пористые системы, основанные на трехпериодических поверхностях, создающих две независимые поровые сети. Хотя общая математическая модель таких поверхностей остается нерешенной задачей, команда Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха под руководством д.х.н., директора Владислава Блатова нашла инновационный подход. Ученые разработали метод, позволяющий генерировать практически бесконечное число таких поверхностей, анализируя топологию атомных сеток природных кристаллов. На этой основе создано свыше 200 пористых структур, исследованы их свойства и выбраны наиболее перспективные. Подробности – в публикации (DOI:10.1080/15376494.2025.2518468).
Подсказки природы: Кристаллы как образец
– Мы обратились к природе за вдохновением и обнаружили идеальные трехпериодические структуры в кристаллах, таких как цеолиты, чьи атомные сети имеют четкие поры, – поясняет д.ф.-м.н., замдиректора МНИЦТМ по науке Александр Крутов. – Топологический анализ этих сеток выявил трехпериодические, включая минимальные, поверхности. Формируя саму поверхность из одного материала и заполняя изолированные поры другими веществами, мы получаем композиты с уникальными функциональными свойствами и огромной площадью поверхности благодаря разветвленности.
От виртуальной модели к реальному образцу
– Компьютерное моделирование выявило широкий спектр упругих свойств и выраженную анизотропию: механические характеристики сильно зависят от направления приложенной силы, – делится к.ф.-м.н., младший научный сотрудник МНИЦТМ Михаил Смольков. – Это открывает огромный потенциал для инженерии! Наиболее многообещающие модели мы воплотили в жизнь из PLA-пластика методом аддитивного производства (3D-печати).
Испытания на прочность: Успешные эксперименты
Ученые провели серию тестов, включая совместный с кафедрой «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Самарского политеха. Пластиковые пористые каркасы заполняли цементом и подвергали нагрузкам. Полученный армированный материал показал выдающуюся прочность, что сулит значительное облегчение будущих строительных конструкций без потери надежности.
Секрет прочности: Геометрия побеждает
– Эксперименты и численное моделирование показали поразительный эффект: некоторые наши пористые конструкции прочнее на сжатие, чем цельный материал их основы! – подчеркивает к.т.н., инженер МНИЦТМ Михаил Фролов. – Упрочнение достигается исключительно за счет уникальной геометрии и топологии структуры.
Перспективы: От стройки до медицины
Пористые материалы МНИЦТМ обещают революцию не только в строительстве. Они исключительно перспективны, например, для медицины – в качестве костных имплантатов. Их связная структура позволит костной ткани и сосудам прорастать сквозь имплант, обеспечивая идеальную интеграцию с организмом.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Самарского политеха
Источник: scientificrussia.ru
