Миллионы лет эволюции позволили некоторым морским животным развить сложные защитные раковины, состоящие из нескольких слоёв, которые эффективно рассеивают физические нагрузки. В новом исследовании инженеры нашли способ имитировать такое поведение многослойных природных материалов, например, перламутра, программируя отдельные слои синтетического материала так, чтобы они работали совместно при воздействии. Этот дизайн новых материалов обещает улучшить энергопоглощающие системы — от умных пластырей до автомобильных бамперов — за счёт многоступенчатой адаптивной реакции на столкновения разной силы.

Ранее многие учёные занимались «обратным инжинирингом» — пытались воспроизвести свойства природных материалов, таких как кость, перья или древесина, чтобы добиться их нелинейного отклика на механическое воздействие. Однако команда под руководством профессора Шелли Чжан из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и профессора Оле Сигмунда из Технического университета Дании пошла дальше: они разработали концепцию программируемых многослойных материалов, реагирующих на локальные нагрузки за счёт микроскопических взаимосвязей между слоями.

Итоги исследования опубликованы в журнале Science Advances.

«Эта работа родилась из обсуждения с профессором Сигмундом — мы уже умеем создавать экстремальные свойства, но всегда есть физический предел для одного материала, даже при программировании», — рассказывает Чжан. — «Это заставило нас задуматься: а как добиться по-настоящему необычного поведения? Например, экстремальный изгиб мог бы эффективно рассеивать энергию в автомобильных бамперах».

Исследователи обратили внимание на многослойные природные структуры, где каждый слой выполняет свою функцию, и задумались, как создать синтетический материал, в котором внутреннее микропрограммирование позволит управлять откликом на механическое воздействие.

«Мы пришли к идее: каждый слой может обладать разными свойствами и поведением», — отмечает Чжан.

Но учёные пошли ещё дальше — они научились программировать слои так, чтобы они работали согласованно, как единое целое.

«Наша новая методика превосходит существующие подходы к нелинейному отклику на напряжение и деформацию, — объясняет Чжан. — Мы оптимизируем структуру по принципу перламутра, прорабатываем межслойные связи в единой системе, что даёт гораздо больше возможностей по сравнению с обычными однослойными или решётчатыми материалами».

В ходе экспериментов команда убедилась: теоретически материал должен быть бесконечно повторяющимся, но на практике приходится изготавливать конечные блоки — и их поведение отличается от расчетного.

«Эти расхождения — обычное дело для реальных материалов», — говорит Чжан. — «Но мы можем использовать их с пользой: программировать последовательность деформации отдельных ячеек, закладывать информацию в структуру и затем её считывать. Это оказалось очень интересно и дало новые идеи для улучшения работы».

Пока ещё предстоит решить задачи масштабирования производства таких материалов. Однако, по словам Чжан, главный вывод исследования — работая вместе, можно добиться большего.

«Это справедливо и для материалов, — считает Чжан. — Когда разные слои работают сообща, они способны на большее, чем поодиночке».

Чжан также сотрудничает с факультетом машиностроения и Национальным центром суперкомпьютерных приложений Иллинойса.