Израильские ученые научились у скорпиона и губки создавать гибкие, но прочные материалы

Ученые Института Вейцмана исследовали структуру панциря скорпиона и внутренний скелет губки и предложили новый метод создания легких, гибких и прочных материалов. В первую очередь такие материалы нужны для авиации.

Природа "работает" над проблемой оптимальной устойчивости материалов намного дольше человека, и многого добилась. Исследователи из Института Вейцмана это учли и попробовали разобраться, как добиваются оптимального баланса прочности и гибкости такие древние организмы, как скорпионы и губки.

Материалы, которые создают люди, как правило, однородны. Они не различаются при изменении глубины и сохраняют повторяющуюся структуру по всему объему. Это связано прежде всего с тем, что такие материалы проще изготавливать. Делается однородная масса, например, расплавленный металл или пластик, а потом ее отливают или формуют тем или иным иным способом. Это быстро, удобно и… не оптимально. Например, чтобы добиться повышенной прочности материал делается более толстым, а значит тяжелым. Есть и другой недостаток такого подхода – это трещины. Чем материал прочнее, тем он более хрупкий, и трещины проходят на всю его глубину. А гибкий материал, как правило, не так прочен.

Соавторы исследования профессор Даниэль Вагнер и доктор Израэль Гринфельд из Института Вейцмана в работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, внимательно присмотрелись к тому как формируется внешний панцирь, или кутикула, скорпиона и внутренний скелет, или спикула, морской губки.

Понятно, что эти материалы вырастают снизу-вверх, а не формуются сверху-вниз, как обычно поступают люди. И такое природное формирование материала приводит к решениям, дающим исключительно тонкий баланс гибкости и прочности.

Материал панциря скорпиона имеет слоистую структуру, и разные слои имеют разное соотношение гибкость-прочность. Внешние слои панциря более прочные и хрупкие, а внутренние – более гибкие и мягкие. Изменение характеристик происходит по градиенту глубины, и это придает панцирю необходимый баланс гибкость-прочность. Причем трещина при внешнем давлении не уходит в глубину, а "направляется" вдоль слоя. Это дает важный эффект: панцирь, скорее, "шелушится", чем трескается.

При такой структуре достаточно тонкого и легкого материала, чтобы добиться очень хороших прочностных характеристик. Ученые считают, что если использовать главную идею, взятую у скорпионов и губок, можно искусственно сделать материалы гораздо более прочные, чем те, что встречаются в природе.

Первое о чем подумали исследователи – это материалы для авиации, где и вес и прочность играют критически важную роль.