На дне океана, на глубине свыше 500 метров, живет удивительное создание — стеклянная губка Euplectella aspergillum, известная как «цветочная корзинка Венеры». Несмотря на кажущуюся хрупкость, ее скелет из кремнезема отличается исключительной прочностью и гибкостью: уникальная решетчатая структура позволяет выдерживать высокое давление и сильные течения на протяжении тысячелетий. Именно эта природная конструкция привлекла внимание исследователей из Калифорнийского университета в Беркли.
Ученые поставили перед собой непростую задачу: создать материал, который одновременно отвечал бы двум противоречивым требованиям — обладал высокой механической прочностью и эффективно управлял потоками жидкости, не провоцируя разрушительных вибраций. Для этого команда разработала автоматизированную вычислительную платформу, объединяющую метод конечных элементов (МКЭ) для оценки механических свойств и вычислительную гидродинамику (ВГД) для анализа поведения потоков, дополнив их инструментами многокритериальной оптимизации.
Используя этот новый подход, мы смогли оптимизировать как структурные, так и жидкостные характеристики нашего материала — то, чего никогда раньше не делалось при проектировании метаматериалов.
Система позволяет пользователю задать целевые параметры, после чего автоматически просчитывает сотни вариантов дизайна, постепенно улучшая конструкцию до достижения оптимального баланса. Для проверки теоретических расчетов исследователи изготовили образцы на 3D‑принтере и провели серию испытаний в реальных условиях.
Результаты оказались впечатляющими: нагрузка на изгиб у оптимизированных образцов в среднем выросла примерно на 140% по сравнению с контрольными конструкциями. При этом оказалось, что даже 5% пористости достаточно, чтобы существенно подавить вихревые вибрации, не жертвуя структурной стабильностью. Например, почти сплошной цилиндр со спиральными выступами и минимальной открытой поверхностью эффективно сглаживал колебания потока.
Потенциал разработки выходит далеко за рамки лабораторных экспериментов. Подобные метаматериалы могут найти применение в авиастроении — например, в крыльях самолетов и рулях вертолетов, в медицине — для создания стентов, а также в морской инфраструктуре — в опорных конструкциях подводных трубопроводов. Работа демонстрирует, как природные инженерные решения способны вдохновлять на создание многофункциональных материалов будущего.
Ранее Наука Mail рассказывала, что соединение из морской губки защищает клетки сердца при инфаркте.