Протей (Proteus) – это название нового материала, который, по замыслу его создателей, должен стать первым искусственным материалом, устойчивым к резке традиционными методами, в том числе угловыми шлифовальными машинами, и циркулярными и даже водяными пилами.
Созданием протея занимался коллектив ученых из британского Даремского университета и немецкого института Фраунгофера под руководством польского ученого Стефана Шинишевского из инженерного факультета Даремского университета. Его команда утверждает, что это первый не встречающийся в природе материал, который полностью устойчив к разрезанию, благодаря соответствующей конструкции и используемым материалам. Протей демонстрирует необычные характеристики при сохранении небольшого веса, что расширяет потенциальную сферу его использования.
Основой нового материала является пористая алюминиевая база с ячеистой структурой, в которую через равные промежутки внедрены керамические шарики. А вдохновением для такого решения послужили кожура грейпфрута и раковины моллюсков. В результате получен материал, на 85% легче стали и обладает высокой устойчивостью к порезам. В экспериментах с использованием различных типов инструментов они прокалывают верхние слои материала и затем достигают упомянутых керамических шариков. Они вступают в микровибрации, быстро затупляя лезвие, разрывая его поверхность, и одновременно сплавляют полученный таким образом материал в дополнительное армирование.
Что касается водяных пил, то высокая устойчивость к ним протея также объясняется столкновением с керамическими шариками. Работа пилы замедляется, потому что поток воды расширяется после удара о внутренние структуры протея.
С кандидатом технических наук Стефаном Шинишевским мы встретились в Центре науки «Коперник», где он выступил с докладом о сверхпрочных материалах, в частности, о протее, и попросила его рассказать о поистине революционных открытиях в области поиска сверхпрочных материалов. Скромный ученый считает это обычной работой:
Стефан Шинишевски: Моя работа концентрируется на поиске природных систем и построении их искусственно с использованием композитов, металлов, керамики, чтобы создать утилитарные вещи в помощь людям. Одним из таких проектов является создание крыла ветряной турбины, чтобы она не трескалась быстро, так же, как стекло в автомобиле, которое является устойчивым к трещинам. Такая турбина будет служить гораздо дольше – 20 или 30 лет, в самых трудных условиях, может быть, на море, стойкая к ветрам, ударам, ливням и так далее. В свою очередь, протей, о котором шла речь на встрече, очень легкий, при этом его невероятно трудно перерезать механическими инструментами. Сейчас мы работаем над велозамками из него для защиты от угона, чтобы владельцы велосипедов чувствовали, что их транспорт в безопасности. Это особенно важно в передвижении электрическими велосипедами, которые стоят очень дорого, и многие просто боятся их где-то оставить без присмотра. А я лично считаю, что это отличное решение для тех, кто не может ездить на обычном велосипеде по причине травмы, возраста или особенностей территории. Например, я живу в очень холмистой местности и езжу на электровелосипеде, и эти холмы для меня слишком высоки, чтобы сойти с обычного велосипеда и сразу начать работать.
Специалист по инженерии материлов, кандидат технических наук Стефан Шинишевски. facebook.com/CentrumNaukiKopernik
- В протее использованы свойства кожуры грейпфрута и скорлупы моллюсков. Это необычайно интересно, но как Вы пришли к такой концепции?
Стефан Шинишевски: Меня восхитило то, что структура моллюсков содержит очень твердые элементов, между которыми находится мягкая ткань. И в данном конкретном случае мы использовали керамические шарики, но чтобы наша структура была упругой, в нее нужно было включить пористый металл, который немного напоминает человеческие кости, но больше всего – кожуру грейпфрута, очень легкую и пористую. А цель была такова, чтобы создать материал повышенной прочности, то есть, из металла и керамики, но при этом легкий. Упругость пористой структуры была необходима, чтобы дать керамике возможность вибрации при сильных нагрузках, например, при попытке перерезать ее острым инструментом. Ключом в нашей идее было использование вибрации против энергии быстро вращающегося инструмента. Я бы сравнил это с приемом в джиу-джитсу или дзюдо, то есть, с использованием энергии того, кто нас атакует, против него самого. Эта энергия вызывает резонанс и возвращается к инструменту, нанося ему повреждение. В общем, нам нужно было активное решение проблемы. Чтобы оно было креативным, как сама природа, а не таким традиционным, просто из чего-то тяжелого, то есть, металла.-
- Мой вопрос, наверное, покажется Вам наивным, но, получается, что с одной стороны, вроде нужны сверхпрочные материалы, а с другой, наоборот, такие, которые быстро разлагаются, не загрязняя окружающую среду, или подлежат рециклингу. Эти тенденции как-то сочетаются или противоречат друг другу?
Стефан Шинишевски: Мне кажется, что иногда есть конфликт, а иногда есть связь. Как я уже сказал, мой источник вдохновения – это природа, у которой мало основных строительных материалов, но она функционирует путем организации пространства. Например, структурные цвета можно получить именно таким путем. Мне кажется, что сверхпрочные материалы могут даже помочь в рециклинге, поскольку, если они созданы из нескольких компонентов, то эти компоненты легко разделить. В случае нашего материала, алюминий можно растопить, керамические шарики вынуть. Но есть материалы, состоящие из нескольких десятков или даже сотен минералов, и вот тогда процесс разделения очень сложен. Еще одним примером для меня является медицина. Если используется винил, который трудно превратить во вторсырье, но его не так уж много, то следует примириться с тем, что есть. Однако 99% материалов, производство которых напоминает биологию в природе, будет более сложным в исполнении, но более легким в восстановлении.
Автор передачи: Ирина Завиша