В поисках материалов нового поколения ученые регулярно обращаются к природе за источником вдохновения. Так, например, недавно команда инженеров, изучающая пористые микроструктуры костных тканей и древесины, представила наглядный пример биомимикрии с весьма широкими возможностями. Легкие новые биоматериалы, усеянные множеством крошечных отверстий, могут найти применение в хирургических имплантатах или космическом авиастроении, обеспечивая высокий уровень прочности в зонах, испытывающих повышенные нагрузки.

Новые имплантаты и детали механизмов, созданные по аналогии с костной тканью и другими природными материалами, обладают очень полезными свойствами. Depositphotos

Новый концепт материала был разработан исследователями Принстонского университета и Технологического института Джорджии, и в нем используются так называемые спинодальные микроструктуры. Это сеть микроскопических отверстий, созданная по образцу различных типов пор, встречающихся в природных материалах, таких как кость, рога животных или древесина, которые для достижения оптимальных характеристик принимают самые разные формы, например колонны или сферы. Ориентация, размер и форма таких элементов может быть точно рассчитана, например, для обеспечения жесткости в определенных направлениях или для контроля плотности или веса материала.

"У вас фактически есть структура и микроструктура, которые работают вместе, чтобы получить превосходные характеристики", - сказал Фернандо Васконселос да Сеньора, аспирант Технологического института Джорджии и первый автор нового исследования.

Ученые разработали новые лицевые имплантаты и элементы летательных аппаратов, используя новую архитектуру материалов, смоделированную на основе костной ткани и древесины. Paulino et al

Исследователи продемонстрировали потенциал этих материалов, разработав и 3D-печатая прототип лицевого имплантата из фотополимерной смолы. Благодаря порам, имеющим форму столбиков и чечевичных зерен, имплантат получился достаточно прочным, и без труда выдерживал давление жевательных мышц. При этом размер отверстий способствовал росту и заживлению костной ткани, облегчая отток жидкостей из организма.

По словам ученых, благодаря тонкой настройке геометрических параметров, такие механизмы могут быть изготовлены из самых разнообразных материалов. Так в качестве другого примера они разработали прочную и легкую версию кронштейна реактивного механизма, используемого при строительстве самолетов.

"Лучше не базовый материал. Лучше микроскопические детали", - говорит Эмили Сандерс, соавтор работы и доцент кафедры машиностроения Технологического института Джорджии. "Теоретически, мы можем сделать даже строительные леса, причем практически из любого материала".

Пористые структуры гораздо легче традиционных материалов и обеспечивают жесткость, которую можно тщательно регулировать. Paulino et al

Исследователи говорят, что потенциал этих конструкций, (которые они называют архитектоническими материалами), "заключается в способности плавно переходить от одного типа микроструктуры к другом" . Это снижает вероятность появления слабых мест и позволяет точно регулировать жесткость и остальные параметры.

"У нас есть технология, которая является довольно мощной в том смысле, что сочетает в себе архитектуру оптимизированных материалов и интеграцию аддитивного производства", - сказал Глаусио Паулино, главный исследователь проекта. " Она может иметь широкий спектр применений в силу своей масштабируемости, поэтому ее можно применять в нано - и микротехнологиях, а также в макро- и мезомасштабах".

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials.

Источники: Journal Advanced Materials, Princeton University, TechXplore (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109304)
(https://www.princeton.edu/)
(https://techxplore.com/news/2022-04-nature-strong-lightweight-material-planes.html)