Stuletnia teoria schwarzitów ożywiona dzięki drukowi 3D

Stuletnia teoria schwarzitów ożywiona dzięki drukowi 3D

Inżynierowie z Uniwersytetu Rice wykorzystali drukarki 3D do przekształcenia teoretycznych schwarzitów w struktury fizyczne. Matematyka właśnie nabrała realnych kształtów.

Matematycy z Uniwersytetu Rice w Houston używają drukarek 3D do tworzenia superwyjątkowych struktur, które do tej pory istniały tylko w teorii sprzed stu lat. Te porowate struktury nazywane są Schwarzitami.

Schwarzity są projektowane za pomocą algorytmów komputerowych. Zespół przesyła dane z programów do drukarek 3D, aby stworzyć makroskalowe modele polimerowe do testów. Próbki mają na celu wykorzystanie jak najmniejszej ilości materiału przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości i ściśliwości.

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Advanced Materials. Odkrycia te mogą wkrótce doprowadzić do powstania urządzeń elektronicznych w nanoskali, katalizatorów, sit molekularnych i elementów baterii. Ponadto, w skali makro mogłyby stać się nośnymi, odpornymi na uderzenia elementami budynków, samochodów i samolotów.

Zespół badaczy teoretyzuje, że pewnego dnia możliwe będzie również zbudowanie całego budynku z jednej schwarzitowej „cegły”.

Nazwa schwarzitów pochodzi od nazwiska niemieckiego naukowca Hermanna Schwarza. Pierwsze hipotezy na temat tych struktur wysunął on w latach 80. XIX wieku, a matematyczne cudeńka stały się inspiracją dla wielu organicznych i nieorganicznych konstrukcji i materiałów. Struktury te pozostały teoretyczne do czasu, gdy drukarki 3D umożliwiły ich praktyczne wytwarzanie.

Schwarzity drukowane w 3D są super mocne i superlekkie

Laboratorium naukowca Pulickela Ajayana z Rice, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Campinas w São Paulo, zbadało oddolną budowę schwarzitów poprzez symulacje dynamiki molekularnej, a następnie wydrukowało te symulacje w formie kostek polimerowych.

„Ich geometria jest naprawdę złożona; wszystko jest zakrzywione, wewnętrzne powierzchnie mają ujemną krzywiznę, a morfologia jest bardzo interesująca” – powiedział Chandra Sekhar Tiwary, badacz podoktorski z Rice, który kierował wcześniejszymi badaniami pokazującymi, w jaki sposób muszle morskie chronią miękkie ciała przed ekstremalnym ciśnieniem, przenosząc naprężenia w całej swojej strukturze.

„Struktury schwarzitu są bardzo podobne” – powiedział. „Teoria pokazuje, że w skali atomowej materiały te mogą być bardzo wytrzymałe. Okazuje się, że powiększenie geometrii za pomocą polimeru daje nam materiał o dużej nośności.”

Schwarzity wykazują również doskonałą charakterystykę deformacji, powiedział. „Sposób, w jaki materiał się łamie, jest bardzo ważny” – powiedział Tiwary. „Nie chcemy, aby rzeczy pękały w sposób katastrofalny; chcemy, aby pękały powoli. Te struktury są piękne, ponieważ po przyłożeniu siły do jednej strony, odkształcają się powoli, warstwa po warstwie”.

„Z tego materiału można zbudować cały budynek, a jeśli coś na niego spadnie, będzie się powoli zapadał, więc to, co jest w środku, będzie chronione” – powiedział.

Naukowcy twierdzą, że ich następnym krokiem będzie udoskonalenie powierzchni za pomocą drukarek o wyższej rozdzielczości i dalsze zmniejszenie ilości polimeru, aby bloki były jeszcze lżejsze. W dalekiej przyszłości planują drukowanie 3D schwarzitów z materiałów ceramicznych i metalicznych na większą skalę.

„Nie ma powodu, dla którego muszą to być bloki” – powiedział współautor pracy i absolwent Rice, Peter Owuor. „W zasadzie tworzymy doskonałe kryształy, które zaczynają się od pojedynczej komórki i które możemy powielać we wszystkich kierunkach”.

Żródło: https://all3dp.com