16 سپتامبر 2024 -توسط دانشگاه پرینستون
معماری استخوان قشر مغز. الف) مقطع شماتیک استخوان فمور انسان، استخوان قشر خارجی متراکم و استخوان ترابکولار داخلی متخلخل را نشان می دهد. ب) معماری استخوان کورتیکال وجود خطوط سیمانی ضعیفی را در اطراف استئون‌های لوله‌ای نشان می‌دهد که منجر به ج) برهمکنش خط ترک و سیمان می‌شود و مسیری را برای انحراف ترک در صفحه از یک شکستگی شکننده مستقیم به عنوان مکانیزم سخت‌کننده فراهم می‌کند. اعتبار: Advanced Materials (2024).
مهندسان پرینستون با الهام از معماری لایه بیرونی سخت استخوان انسان، ماده ای بر پایه سیمان ساخته اند که 5.6 برابر بیشتر از نمونه های استاندارد در برابر آسیب مقاوم است. طراحی الهام گرفته شده به مواد اجازه می دهد تا در برابر ترک خوردگی مقاومت کرده و از شکست ناگهانی جلوگیری کنند، برخلاف نمونه های معمولی و شکننده مبتنی بر سیمان.
در مقاله ای جدید در مجله Advanced Materials، تیم تحقیقاتی به سرپرستی رضا معینی، استادیار مهندسی عمران و محیط زیست و شاشانک گوپتا، دانش آموخته سال سوم Ph.D. نشان می دهد که خمیر سیمان مستقر شده با معماری لوله مانند می تواند مقاومت در برابر انتشار ترک را به طور قابل توجهی افزایش دهد و توانایی تغییر شکل بدون شکست ناگهانی را بهبود بخشد.
گوپتا گفت: «یکی از چالش‌های مهندسی مواد ساختمانی شکننده این است که آنها به شکلی ناگهانی و فاجعه‌بار شکست می‌خورند.
در مصالح ساختمانی شکننده که در ساختمان‌ها و زیرساخت‌های عمرانی استفاده می‌شود، استحکام توانایی تحمل بارها را تضمین می‌کند، در حالی که چقرمگی از مقاومت در برابر ترک خوردگی و گسترش آسیب در سازه پشتیبانی می‌کند. تکنیک پیشنهادی با ایجاد ماده ای سخت تر از نمونه های معمولی و در عین حال حفظ استحکام، با این مشکلات مقابله می کند.
معینی گفت که کلید بهبود در طراحی هدفمند معماری داخلی نهفته است، با متعادل کردن تنش ها در قسمت جلوی ترک و پاسخ مکانیکی کلی.
وی گفت: ما از اصول نظری مکانیک شکست و مکانیک آماری برای بهبود خواص اساسی مواد با طراحی استفاده می‌کنیم.
این تیم از استخوان قشر انسان، پوسته متراکم بیرونی استخوان ران انسان که استحکام می بخشد و در برابر شکستگی مقاومت می کند، الهام گرفته شده است. استخوان کورتیکال شامل اجزای لوله‌ای بیضوی است که به نام استئون‌ها شناخته می‌شوند و به‌طور ضعیف در یک ماتریکس آلی جاسازی شده‌اند. این معماری منحصر به فرد، شکاف های اطراف استئون ها را منحرف می کند. گوپتا گفت که این از شکست ناگهانی جلوگیری می کند و مقاومت کلی در برابر انتشار ترک را افزایش می دهد.
طراحی الهام‌گرفته از زیست‌شناسی این تیم، لوله‌های استوانه‌ای و بیضی‌شکل را در خمیر سیمان ترکیب می‌کند که با ترک‌های در حال گسترش تعامل دارند.
معینی می‌گوید: «انتظار می‌رود که وقتی لوله‌های توخالی در آن قرار می‌گیرند، این ماده در برابر ترک مقاوم‌تر شود. ما یاد گرفتیم که با بهره گیری از هندسه، اندازه، شکل و جهت لوله، می توانیم تعامل ترک-لوله را برای بهبود یک ویژگی بدون قربانی کردن دیگری ارتقا دهیم.
این تیم کشف کردند که چنین برهمکنش پیشرفته ترک-لوله یک مکانیسم سفت شدن گام به گام را آغاز می کند، جایی که ترک ابتدا توسط لوله به دام می افتد و سپس انتشار آن به تاخیر می افتد، که منجر به اتلاف انرژی اضافی در هر تعامل و مرحله می شود.
گوپتا گفت: «آنچه این مکانیسم گام به گام را منحصر به فرد می کند این است که هر گسترش ترک کنترل می شود و از شکست ناگهانی و فاجعه بار جلوگیری می کند. به جای شکستن یکباره، این ماده در برابر آسیب های تدریجی مقاومت می کند و آن را بسیار سخت تر می کند.
برخلاف روش‌های سنتی که مواد مبتنی بر سیمان را با افزودن الیاف یا پلاستیک تقویت می‌کنند، رویکرد تیم پرینستون بر طراحی هندسی متکی است. با دستکاری ساختار خود مواد، بدون نیاز به مواد اضافی، به پیشرفت های قابل توجهی در چقرمگی دست می یابند.
محققان علاوه بر بهبود چقرمگی شکست، روش جدیدی را برای تعیین کمیت درجه بی نظمی معرفی کردند که کمیتی مهم برای طراحی است. بر اساس مکانیک آماری، این تیم پارامترهایی را برای تعیین کمیت درجه بی نظمی در مصالح معماری معرفی کردند. این به محققان اجازه داد تا یک چارچوب عددی ایجاد کنند که منعکس کننده درجه بی نظمی معماری است.
محققان گفتند که چارچوب جدید نمایش دقیق تری از ترتیبات مواد را ارائه می دهد و به سمت طیفی از مرتب به تصادفی فراتر از طبقه بندی های دودویی ساده دوره ای و غیر تناوبی حرکت می کند. معینی گفت: این مطالعه بین رویکردهایی که بی‌نظمی و اغتشاش را با اختلالات آماری اشتباه می‌گیرند، تمایز قائل می‌شود.
معینی گفت: «این رویکرد ابزار قدرتمندی برای توصیف و طراحی مواد با درجه بی نظمی مناسب به ما می دهد. استفاده از روش‌های ساخت پیشرفته مانند ساخت افزودنی می‌تواند طراحی ساختارهای نامنظم‌تر و مکانیکی مطلوب‌تر را ارتقا دهد و امکان بزرگ‌سازی این طرح‌های لوله‌ای را برای اجزای زیرساخت‌های عمرانی با بتن فراهم کند.
تکنیک‌های توسعه‌یافته‌ای که امکان دقت زیادی را با استفاده از روباتیک و ساخت مواد افزودنی فراهم می‌کند. با استفاده از آنها در معماری های جدید و ترکیبی از مواد سخت یا نرم در لوله ها، آنها امیدوارند که امکانات کاربرد در مصالح ساختمانی را گسترش دهند.
گوپتا گفت: «ما فقط شروع به بررسی احتمالات کرده‌ایم. متغیرهای زیادی برای بررسی وجود دارد، مانند اعمال درجه بی نظمی در اندازه، شکل و جهت لوله ها در ماده.
