Lấy cảm hứng từ loài bọt biển sâu khiêm tốn, các kỹ sư của Đại học RMIT đã phát triển một vật liệu mới có độ bền nén và độ cứng đáng kể, có thể cải thiện thiết kế kiến trúc và sản phẩm.
Tiến sĩ Jiaming Ma đang cầm mô hình in 3D về thiết kế mạng lưới kép của nhóm. Nguồn: Đại học RMIT.
Thiết kế dạng lưới kép được lấy cảm hứng từ bộ xương phức tạp của một loài bọt biển sâu được gọi là giỏ hoa của thần Vệ Nữ, sống ở Thái Bình Dương.
Tác giả chính của nghiên cứu mới nhất về cấu trúc của RMIT, Tiến sĩ Jiaming Ma, cho biết quá trình thử nghiệm và tối ưu hóa mở rộng đã cho thấy sự kết hợp ấn tượng giữa độ cứng và độ bền của mẫu vật liệu này, cùng với khả năng co lại khi bị nén.
Chính khía cạnh cuối cùng này - được gọi là hành vi auxetic - mở ra nhiều khả năng áp dụng thiết kế vào kỹ thuật kết cấu và các ứng dụng khác.
"Trong khi hầu hết các vật liệu trở nên mỏng hơn khi kéo căng hoặc trở nên dày hơn khi bị ép, như cao su, thì auxetic lại làm ngược lại", Ma cho biết. "Auxetic có thể hấp thụ và phân phối năng lượng tác động một cách hiệu quả, khiến chúng trở nên cực kỳ hữu ích".
Vật liệu phụ trợ tự nhiên bao gồm gân và da mèo, trong khi vật liệu tổng hợp được sử dụng để làm stent tim và mạch máu có khả năng giãn nở và co lại khi cần thiết.
Nhưng trong khi vật liệu auxetic có những đặc tính hữu ích, độ cứng thấp và khả năng hấp thụ năng lượng hạn chế của chúng hạn chế các ứng dụng của chúng. Thiết kế lưới đôi lấy cảm hứng từ thiên nhiên của nhóm nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng vì nó khắc phục được những nhược điểm chính này.
Ma cho biết: "Mỗi mạng tinh thể riêng lẻ đều có đặc tính biến dạng truyền thống, nhưng nếu bạn kết hợp chúng như tự nhiên đã làm ở bọt biển sâu, thì nó sẽ tự điều chỉnh và giữ nguyên hình dạng, đồng thời hoạt động tốt hơn đáng kể so với các vật liệu tương tự".
Cấu trúc mạng kép của nhóm (bên trái) vượt trội hơn thiết kế tổ ong tái nhập tiêu chuẩn (bên phải). Nguồn: Đại học RMIT.
Kết quả công bố trên tạp chí Composite Structures cho thấy với cùng lượng vật liệu sử dụng, mạng lưới này cứng hơn 13 lần so với các vật liệu auxetic hiện có, dựa trên thiết kế dạng tổ ong tái nhập.
Nó cũng có thể hấp thụ thêm 10% năng lượng trong khi vẫn duy trì được đặc tính auxetic với phạm vi biến dạng lớn hơn 60% so với các thiết kế hiện có.
Tiến sĩ Ngọc San Hà cho biết sự kết hợp độc đáo của những tính chất này đã mở ra nhiều ứng dụng thú vị cho vật liệu mới.
Ông cho biết: "Mạng lưới auxetic lấy cảm hứng từ sinh học này cung cấp nền tảng vững chắc nhất để chúng tôi phát triển tòa nhà bền vững thế hệ tiếp theo".
"Vật liệu siêu vật liệu auxetic của chúng tôi có độ cứng và khả năng hấp thụ năng lượng cao có thể mang lại lợi ích đáng kể cho nhiều lĩnh vực, từ vật liệu xây dựng đến thiết bị bảo vệ và đồ dùng thể thao hoặc ứng dụng y tế."
Cấu trúc lưới lấy cảm hứng từ sinh học có thể hoạt động như một khung tòa nhà bằng thép, cho phép sử dụng ít thép và bê tông hơn mà vẫn đạt được kết quả tương tự như khung truyền thống.
Cấu trúc này cũng có thể tạo thành cơ sở cho các thiết bị bảo vệ thể thao nhẹ, áo chống đạn hoặc cấy ghép y tế.
Giáo sư danh dự Mike Xie cho biết dự án này nhấn mạnh giá trị của việc lấy cảm hứng từ thiên nhiên. "Sinh học mô phỏng không chỉ tạo ra những thiết kế đẹp và thanh lịch như thế này mà còn tạo ra những thiết kế thông minh đã được tối ưu hóa qua hàng triệu năm tiến hóa mà chúng ta có thể học hỏi", Xie cho biết.
Hệ thống xương của Euplectella aspergillum, cho thấy: (a) toàn bộ ống xương, (b) chế độ xem phóng to làm nổi bật cấu trúc giống như mạng lưới đều đặn của nó và (c) mô hình chi tiết của các tế bào mở và đóng xen kẽ. Tín dụng: Composite Structures (2024). DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118835
Các bước tiếp theo
Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Vật liệu và Cấu trúc Sáng tạo của RMIT đã thử nghiệm thiết kế bằng mô phỏng máy tính và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm trên mẫu in 3D làm từ polyurethane nhiệt dẻo.
Hiện tại, họ đang có kế hoạch sản xuất phiên bản thép theo thiết kế này để sử dụng cùng với các kết cấu bê tông và đất nện - một kỹ thuật xây dựng sử dụng nguyên liệu thô tự nhiên được nén chặt.
Ma cho biết: "Mặc dù thiết kế này có thể có những ứng dụng đầy hứa hẹn trong thiết bị thể thao, PPE và y tế, nhưng trọng tâm chính của chúng tôi là khía cạnh xây dựng và thi công".
"Chúng tôi đang phát triển một vật liệu xây dựng bền vững hơn bằng cách sử dụng sự kết hợp độc đáo giữa tính linh hoạt, độ cứng và khả năng hấp thụ năng lượng vượt trội trong thiết kế của mình để giảm lượng thép và xi măng sử dụng trong xây dựng.
"Các tính năng hấp thụ năng lượng và phụ trợ của nó cũng có thể giúp làm giảm rung động trong các trận động đất."
Nhóm nghiên cứu cũng đang có kế hoạch tích hợp thiết kế này với các thuật toán học máy để tối ưu hóa hơn nữa và tạo ra các vật liệu có thể lập trình được.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
