Вчені розробили новий матеріал, який поглинає в шість разів більше енергії

Футболісти (і будь-хто інший, хто отримує сильні удари) можуть зітхнути з полегшенням. Під час останніх досліджень інженери Університету Колорадо в Боулдері та Національної лабораторії Сандіа розробили нову конструкцію набивки, яка може витримувати сильні удари. Інновації команди, які можна роздрукувати на комерційно доступних 3D-принтерах, можуть одного дня застосувати в усьому, починаючи від транспортних ящиків і закінчуючи футбольними майданчиками — у всьому, що допомагає захистити крихкі предмети чи тіла від ударів життя.

Команда описала технологію в статті, нещодавно опублікованій в журналі Advanced Materials Technologies.

«Пом’якшення наслідків — це те, що важливо скрізь», — сказав Роберт МакКерді, відповідний автор дослідження та доцент кафедри машинобудування Пола М. Реді в CU Boulder. «Це стосується захисних бар’єрів, наколінників і налокітників, а також пакувального обладнання».

Дослідження по-новому дивиться на те, з чим більшість людей стикається весь час, але рідко помічає: піни. Це м’які матеріали, наповнені незліченною кількістю крихітних отворів і каналів. Зображення упаковки арахісу або стресових кульок. МакКерді сказав, що піни можуть добре поглинати удари, але вони мають серйозний недолік: якщо ви стиснете піну досить сильно, вона згодом стиснеться в жорстку пачку.

Він та його колеги вважають, що можуть зробити краще. У новому дослідженні група написала комп’ютерні алгоритми для ретельного перероблення внутрішньої частини амортизаційних матеріалів, дозволяючи їм прогинатися під дією сили, але лише дотримуючись ретельної моделі. Коли група випробувала свої конструкції в лабораторії, вони виявили, що їх оббивка може поглинати на 25% більше сили, ніж сучасні найсучасніші технології.

«Матеріал, який ви використовуєте для поглинання ударів, має значення», — сказав МакКерді. «Але що справді має значення, так це геометрія».

Збільшення

Щоб зрозуміти, чому одні подушки працюють добре, а інші ні, допоможе зазирнути всередину. Те, що надає піні її пружину, наприклад, це всі ці маленькі куточки та щілини. Коли ви стискаєте губку, пояснив МакКерді, ці порожні простори починають закриватися, що, у свою чергу, поглинає енергію.

Деякі інженери вийшли за рамки базової конструкції. Замість цього вони створюють оббивку з мережі шестикутних веж, або «пластинчатих решіток», які трохи схожі на стільники. Якщо захисник, можливо, врізається в таку подушку, від удару стільники зруйнуються хвилеподібно. Це більш ефективний спосіб поглинати сили.

Але, зазначає МакКерді, дослідники давно прагнуть створити оббивку, яка відповідає золотому стандарту — технологія, яка не просто поглинає велику силу, але також може поглинати багато різних видів зусиль з однаковою тонкістю.

«Якщо ви їдете на велосипеді і потрапили в аварію, ви не знаєте, чи буде це зіткнення на низькій чи високій швидкості. Але незважаючи на це, ви очікуєте, що ваш шолом працюватиме добре», — сказав він. «Ми намагаємося розробити геометрію, яка добре працює в усіх цих сценаріях».

Даючи стиснути

Щоб зробити більш універсальну подушку, інженер і його колеги вирішили змінити внутрішню частину цих об’єктів до масштабу міліметра або менше. Група спочатку використовувала спеціальне програмне забезпечення для створення мережі стільників, а потім налаштувала їх, щоб включити кілька перегинів, трохи схожих на міхи в акордеоні. Ці перегини допомагають направляти стільники, коли вони хрумтять під час удару, забезпечуючи набагато плавніше згортання.

«Як тільки ви починаєте стискати ці структури, вони поглинають певну кількість сили», — сказав МакКерді. «Найкращі конструкції амортизаторів зберігають постійну силу в усьому діапазоні стиснення».

Іншими словами, на відміну від пінопласту, ці подушки поводитимуться однаково незалежно від того, наскільки сильно ви їх давите — або, принаймні, до певного максимуму. Дослідники також хотіли переконатися, що їхня підкладка може протистояти ударам і синцям у реальному світі. Вони використовували 3D-принтер для створення блоків розміром з невелику цеглинку з пружного матеріалу під назвою термопластичний поліуретан. Потім вони стиснули їх ударною машиною.

Група виявила, що його блоки можуть поглинати приблизно в шість разів більше енергії, ніж стандартні пінопласти, виготовлені з того самого матеріалу, і до 25% більше, ніж інші стільникові конструкції. МакКерді та його колеги зараз працюють над тим, щоб ще більше вдосконалити свої структури. Він додав, що інженери можуть створювати подібні конструкції з різних типів матеріалів, від еластичного пластику до більш твердих речовин, таких як алюміній. Іншими словами, світ незабаром може стати набагато м’якшим.