Иллюстрация представлена Yifan Wang et al. / Nature. Инициативная группа российских и американских материаловедов совсем недавно совершила прорывное открытие в области умных тканей. Созданная ими кольчужная структура, состоящая из слоев скрепленных октаэдрических частиц, оказалась способна демонстрировать увеличение жесткости в 25 раз при механическом сжатии. Согласно моделированию, кольчуги, сформированные из частиц различных геометрических фигур, при сжатии претерпевают фазовый переход с заклиниванием. Данный процесс описывается степенной зависимостью модуля упругости от количества контактов между частицами, как отмечают авторы исследования в журнале Nature. На сегодняшний день умные ткани обладают широким спектром возможностей: генерацией и аккумулированием энергии, считыванием и регулированием температуры, а также выполнением некоторых функций смартфонов. В большинстве случаев, полезные свойства умных тканей приобретаются путем интеграции гибкой электроники (например, нитевидных проводников и гибких электросхем) в обычную ткань,

либо закладываются на этапе производства в зависимости от состава и геометрии исходного материала, без возможности последующего изменения.

Ткани с регулируемыми механическими свойствами могли бы найти применение в медицине в качестве фиксаторов частей тела. Однако большинство существующих концепций обладают недостатками, касающимися безопасности или практической удобности.

Ученые под руководством Ифана Вана (Yifan Wang) из Калифорнийского технологического Института сделали ткань, способную плавно менять свою жесткость и сохранять различные формы при наложении избыточного давления.

Для изготовления умной ткани физики печатали с помощью селективного лазерного спекания листы кольчуги в виде скрепленных между собой с четырех сторон полых октаэдров, затем помещали два листа стопкой в герметичную гибкую оболочку и откачивали воздух. При этом давление оболочки на листы вызывало уплотнение и заклинивание октаэдров внутри кольчуг и между слоями.

Октаэдрическая кольчужная ткань до и после сжатия. Yifan Wang et al. / Nature

В ходе испытаний на изгиб при повышении давления оболочки с 0 до 93 килопаскалей модуль упругости образца монотонно увеличивался, пока не достигал значения, в 25 раз превышающего исходное. Примечательно, что объем при сжатии уменьшался не более чем на 5 процентов, поскольку заклинивание представляет собой резкий фазовый переход с небольшим изменением плотности укладки частиц.

Для сравнения ученые провели моделирование эксперимента для тканей из сцепленных и несцепленных октаэдров. Выяснилось, что сцепленная ткань превосходит несцепленный аналог, демонстрируя более высокий модуль упругости при том же давлении оболочки. Такое поведение объясняется большим числом контактов между ребрами октаэдров в связанном состоянии, не только из-за сцепления при растягивании пары частиц, но и за счет внутренних контактов при вдавливании одной частицы в другую.

Зависимость жесткости образца от деформации для различных значений давления оболочки на листы кольчуги. Yifan Wang et al. / Nature

Зависимость модуля упругости от давления оболочки на листы кольчуги в случае скрепленных (серый) и нескрепленных (синий) октаэдров. Yifan Wang et al. / Nature

Моделирование также помогло ученым исследовать свойства кольчуг из частиц в форме других невыпуклых трехмерных фигур, а также обычных кольчуг из колец и квадратов. Для всех типов тканей зависимость модуля упругости от числа контактов между частицами подчинялась степенному закону, как предсказывает теория фазового перехода заклинивания. Особо жесткими оказались кольчуги из двумерных частиц, что связано с более плотным расположением частиц при сжатии, и что, однако, сказывается на весе изделия. Полученная степенная зависимость, по словам авторов, может помочь технологам оптимально сбалансировать вес и жесткость изделия, выбирая соответствующую форму частиц и давление оболочки.

Зависимость модуля упругости от среднего удельного числа контактов между частицам для различных форм частиц. Yifan Wang et al. / Nature

Возвращаясь к октаэдрической кольчуге, авторы свернули умную ткань в виде стола и арки и зафиксировали форму увеличением давления оболочки, чтобы затем исследовать полученные фигуры на прочность. В результате конструкции выдержали грузы, в 30 раз превышающие их собственный вес, что особенно важно для практического применения, где ткани, возможно, должны будут повторять формы человеческого тела или формировать сложную архитектуру. Также ученые провели испытания на ударопрочность, сбрасывая на установленный на двух опорах образец ткани шарик из нержавеющей стали. Как оказалось, ограничивающее давление оболочки в 67 килопаскалей способно шестикратно снизить деформацию от удара шарика.

Испытание ткани на способность сохранять форму и на ударопрочность, а также некоторые варианты использования. Yifan Wang et al. / Nature

Авторы отмечают, что поскольку фазовый переход заклинивания инвариантен относительно масштабирования, подобные структуры могут быть воспроизведены в различных масштабах – от микрометра до нескольких метров, а использование различных исходных материалов позволит применять умную ткань в самых разных областях. Более того, дополнительные альтернативные методы сжатия кольчуги (например, с помощью электрического или магнитного поля) могли бы локально регулировать жесткость ткани для более тонких задач, к примеру в тактильных интерфейсах и для медицинской стимуляции.

Ранее ученые научились выращивать хлопок с магнитными и флюоресцирующими свойствами с помощью модифицированной глюкозы. Примечательно, что данная технология, по словам разработчиков, применима и к другим натуральным тканям.

Автор: Елизавета Чистякова
Источник: https://nplus1.ru/