Работа, результаты которой опубликованы в журнале Science Advances, предлагает свежий подход к созданию материалов, способных менять свои свойства при механической нагрузке. Исследование провели профессор Шелли Чжан из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и профессор Оле Зигмунд из Технического университета Дании.
Команда ученых черпала вдохновение у природы — в частности, у перламутра, слоя, покрывающего внутреннюю часть некоторых морских раковин. Перламутр состоит из множества микроскопических пластин, работающих вместе и эффективно гасящих удары. Исследователи стремились не просто скопировать это поведение, а научиться программировать синтетические материалы так, чтобы они реагировали на внешние воздействия подобным образом.
В отличие от традиционного обратного проектирования, при котором природные материалы копируются для создания искусственных аналогов, ученые пошли дальше. Они создали многослойную структуру, в которой каждый слой может обладать собственными свойствами и при этом взаимодействовать с другими. Это дало возможность добиться адаптивных реакций на локальное напряжение и деформацию.
Чжан объяснил, что идея родилась из желания преодолеть физические ограничения отдельных материалов. Даже самые прочные материалы имеют предел прочности. Поэтому возникла концепция — создать систему, в которой несколько слоев действуют как единый организм и взаимно усиливают друг друга.
Новое инженерное решение позволяет не просто комбинировать материалы, но и оптимизировать связи между слоями. Это расширяет возможности проектирования. Синтетический многослойный материал способен изгибаться и гасить энергию более эффективно, чем предыдущие однослойные конструкции.
Однако на практике между теоретической моделью и реальным материалом возникло несоответствие. Вместо того чтобы считать это ошибкой, исследователи использовали разницу как источник информации: они зафиксировали поведение отдельных ячеек и смогли «зашить» в материал механизм адаптации. Это открывает возможность в будущем создавать структуры, способные не только реагировать на внешние воздействия, но и «помнить» их.
Разработка еще требует оптимизации и масштабирования, однако исследование уже показало: как в науке, так и в инженерии, синергия дает лучший результат. По словам Чжана, когда разные материалы взаимодействуют, они могут добиться большего, чем поодиночке.
Инженеры все чаще вдохновляются природными решениями, создавая материалы, которые сочетают прочность, гибкость и адаптивность. Любопытно, что и в другой области — квантовых технологий — исследователи все чаще обращаются к природным ресурсам: об одном таком неожиданном открытии вы можете узнать в этой статье.