Учёные из Королевского мельбурнского технологического института (Австралия) совместно с коллегами из Национальной консерватории искусств и ремёсел (Франция) разработали первый в мире гибридный открытопористый решётчатый метаматериал на основе титана и полимера. Он не только способен удерживаться на поверхности воды, но и превосходит по устойчивости к морской коррозии нержавеющую сталь или полиэтилен высокой плотности, которые в настоящее время используются для изготовления причалов, буёв и датчиков плавучести. Это изобретение решает фундаментальную проблему, из-за которой металлические решётчатые структуры не могли держаться на плаву. Соответствующая статья опубликована в последнем номере журнала Advanced Materials.
3D-печатный буй, использованный в испытаниях. Источник: Королевский мельбурнский технологический институт
Метаматериалы на основе металлических решёток уже продемонстрировали преобразующий потенциал в таких областях, как биомедицина, аэрокосмическая промышленность, оборона и термотехника, однако их применение в морской среде долгое время было ограничено. Причина в том, что, хотя металлические решётки могут быть чрезвычайно лёгкими — их плотность составляет менее одной десятой плотности воды, — их открытые, сообщающиеся полости заполняются водой, из-за чего конструкция тонет.
В ходе последнего исследования команда заполнила полые титановые стойки полиуретановой пеной, создав таким образом новую структуру. Даже после серьёзных трещин и повреждений, когда вода протекает сквозь неё, она по-прежнему остаётся на плаву. Образцы непрерывно удерживались на поверхности пресной воды более двух месяцев, что подтвердило их длительную плавучесть.
Команда предложила новый метод, названный «плотность скелета», для определения того, может ли открытая структура держаться на плаву. Традиционный расчёт плотности включает все открытые пространства внутри решётчатой структуры в объём, однако эти пространства, заполняясь водой, не вносят вклад в плавучесть. Плотность скелета учитывает только ту часть структуры, которая не заполняется водой, например, титановые стенки и каналы, заполненные герметичной пеной. Это даёт инженерам простое правило проектирования: если плотность скелета ниже плотности окружающей жидкости, структура будет плавать, даже если вода проходит через все внешние отверстия.
Испытания показали, что при одинаковой общей плотности прочность новой титановой структуры на 70% выше, чем у нержавеющей стали или полиэтилена высокой плотности, широко используемых в морской отрасли. В краткосрочных испытаниях на коррозию в морской воде она также показала хорошие результаты: после двух недель погружения масса решётки потеряла всего 0,15%, а прочность снизилась менее чем на 1%.
Более того, даже при серьёзных повреждениях, таких как трещины, отказ критических соединений или разрыв целых слоёв решётки, гибридная решётка сохраняет плавучесть. Она тонет только при сильном сжатии и уплотнении. Это подчёркивает её потенциал оставаться на плаву даже при серьёзных структурных повреждениях.
Используя новую структуру, команда напечатала на 3D-принтере морской буй, который сохранял устойчивость даже при наклоне до 45 градусов в баке с турбулентной морской водой, без необходимости в герметичных кожухах, защитных покрытиях или дополнительных поплавках.