۲۵ اکتبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: پرابات رانجان میشرا -این ماده جدید می‌تواند در آینده کاربردهایی در ایمنی خودرو و هوافضا پیدا کند. (تصویر نمایشی)
محققان شکل جدیدی از متامواد پیچشی چاپ سه‌بعدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند محافظت بهتری در برابر تصادف برای وسایل نقلیه ارائه دهد. این ماده دارای شکل شبکه‌ای منحصر به فردی است که به آن اجازه می‌دهد تا به درون خود بپیچد تا به طور مؤثر در برابر طیف وسیعی از انواع و شدت‌های ضربه محافظت کند.
این ماده که توسط محققان دانشگاه‌های اسکاتلند و ایتالیا توسعه یافته است، می‌تواند به صورت مکانیکی کنترل شود و در نتیجه جذب انرژی آن تغییر کند.
تیم تحقیقاتی تأکید کرد که این ماده را می‌توان به دقت تنظیم کرد تا مقاومت سخت‌تری در برابر برخوردهای سنگین یا ضربه‌گیری نرم‌تری برای ضربات سبک‌تر ارائه دهد.
پروفسور شانموگام کومار از دانشکده مهندسی جیمز وات دانشگاه گلاسکو گفت: «این مطالعه، فرامواد پیچشی تطبیقی را به عنوان دسته جدیدی از فرامواد معرفی می‌کند که برای تطبیق به هیچ قطعه الکترونیکی یا هیدرولیکی پیچیده‌ای نیاز ندارند. در عوض، آنها می‌توانند به سادگی از طریق کنترل مکانیکی چرخش تطبیق یابند. وقتی فشرده‌سازی را اعمال می‌کنیم، شبکه ژیروئید آن را به پیچش تبدیل می‌کند و با تغییر شرایط مرزی، می‌توانیم ویژگی‌های جذب انرژی را تنظیم کنیم. این مواد می‌توانند بسته به نوع و شدت ضربه، ویژگی‌های خود را تطبیق داده و تغییر دهند تا اثرات را کاهش دهند.»
تیم تحقیقاتی معتقد است که این ماده می‌تواند در آینده کاربردهایی در ایمنی خودرو و هوافضا پیدا کند و دسته جدیدی از مواد را ارائه دهد که قادر به تطبیق با نیازهای مختلف در صورت نیاز است. همچنین می‌تواند با تبدیل ضربات به انرژی جنبشی چرخشی، از توسعه اشکال جدید برداشت انرژی پشتیبانی کند.
مواد محافظی که امروزه در اکثر وسایل نقلیه استفاده می‌شوند، ایستا هستند، برای سناریوهای ضربه خاص طراحی شده‌اند و قادر به سازگاری با شرایط متغیر نیستند.این مواد از فولاد با استفاده از تولید افزایشی ساخته شده‌اند، فرآیندی که بیشتر به عنوان چاپ سه‌بعدی شناخته می‌شود. طبق یک بیانیه مطبوعاتی، این فرآیند به تیم کنترل دقیقی بر معماری ماده می‌دهد و به آنها اجازه می‌دهد تا یک شکل پیچیده و بسیار متخلخل به نام شبکه ژیروئید را در سراسر آن ببافند.
متامواد پیچشی این تحقیق که در Advanced Materials منتشر شده است، زیررده‌ای از شبکه‌های معماری‌شده هستند که مکانیک آنها توسط خاصیت ارتجاعی میکروقطبی ثبت می‌شود.
این ساختارها که از عملیات پیچشی روی شبکه‌های اولیه مشتق شده‌اند، تحریک پیچشی ناشی از هندسه و پاسخ‌های غیرخطی را نشان می‌دهند و طبق این مطالعه، چارچوب پیش‌بینی چندمقیاسی قابلیت تصادف تطبیقی را ممکن می‌سازند.
محققان این مطالعه گفتند: «یک چارچوب پیش‌بینی چندمقیاسی – ترکیبی از مکانیک پیوسته کوزرات، مدل‌سازی المان محدود و آزمایش‌ها – قابلیت اجرایی آن را نشان می‌دهد. ساختارهای ژیروئید مبتنی بر ورق پیچشی (با چگالی نسبی 10٪) به صورت افزایشی از فولاد FE7131 ساخته شده و تحت فشار شبه استاتیک و دینامیکی با محدودیت‌های پیچشی متنوع آزمایش شده‌اند که جذب انرژی تطبیقی را نشان می‌دهد.»
تیم تحقیقاتی خاطرنشان کرد که نقشه‌برداری از عملکرد این ماده بر روی نمودار اشبی، متامواد پیچشی را به عنوان یک دسته امیدوارکننده از مواد مکانیکی تطبیقی و مقاوم در برابر ضربه برای سیستم‌های حفاظتی پیشرفته در کاربردهای خودرو، راه‌آهن، هوافضا و دفاعی برجسته می‌کند.
محققان تأکید کردند که وقتی این ماده توسط یک نیروی خارجی فشرده می‌شود، با حرکتی شبیه به دربازکن می‌چرخد و انرژی ضربه را جذب می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این تیم سه نسخه از این ماده را برای ارزیابی پاسخ آنها به دو نوع بارگذاری آزمایش کرد: ضربات سریع و کرنش‌های آهسته‌تر و پیوسته در حال افزایش.
طبق این مطالعه، هنگامی که این متاماده در پاسخ به ضربات، از هرگونه پیچش منع شد، حداکثر سختی را فراهم کرد و بیشترین انرژی را جذب کرد – ۱۵.۳۶ ژول انرژی به ازای هر گرم از ماده. تیم تحقیقاتی تأکید کرد که آزمایش‌های دنیای واقعی آنها توسط یک مدل نظری و محاسباتی جامع پشتیبانی می‌شود که می‌تواند رفتار پیچیده شبکه‌های ژیروئیدی پیچشی را تحت نرخ‌های کرنش مختلف به طور دقیق پیش‌بینی کند.
برای ترازبندی دقیق عددی-تجربی، مطابق با بیانیه مطبوعاتی، نقص‌های هندسی ایجاد شده در طول تولید افزایشی با ادغام بازسازی‌های میکرو سی‌تی از شبکه‌های چاپ شده، تعیین کمیت شدند.
