Развитието на съвременната наука често намира вдъхновение в най-обикновени и ежедневни предмети. Последните проучвания на екип от Университета в Бирмингам показват, че оризът, който е основна храна за повече от половината население на планетата, може да промени фундаментално начина, по който инженерите възприемат и създават материали за бита и индустрията. Чрез изследване на поведението на плътно опаковани оризови зърна при различен натиск, учените успяват да положат основите на изцяло нов клас функционални метаматериали, които в бъдеще могат да направят революция в роботиката и защитното оборудване.
Механика на феномена омекотяване при скорост
Водещият изследовател д-р Минчао Лиу от Университета в Бирмингам посочва, че оризът рядко се свързва с напредналото инженерство, но неговите физични свойства разкриват неподозирани възможности. Проучването, публикувано в научното списание Matter, установява, че когато върху ориза се приложи бърза компресия, той проявява тенденция към отслабване и омекване. Обратно, бавното и постепенно прилагане на натиск поддържа структурата здрава и устойчива.
Това необичайно поведение се дължи на силите на триене между отделните елементи. При прилагането на внезапна и бърза сила върху плътно пакетирани оризови зърна, триенето между тях спада рязко, което кара цялата система да се отпусне и омекне. Научният термин за този процес е омекотяване при скорост. По време на експериментите екипът тества и други гранулирани структури, като силициев пясък и кафе на прах, но оризът показва най-силно изразен и драматичен ефект.
Инженерен дизайн на новите композитни метаматериали
За да превърнат това откритие в нещо практично и приложимо, изследователите комбинират ориза със силициев пясък. Силициевият пясък се държи по коренно различен начин, тъй като той става по-здрав и се втвърдява при бързо приложена сила. Чрез съчетаването на двете съставки се създава нов композитен материал, който притежава уникалната способност да се огъва, поддава или втвърдява изцяло в зависимост от скоростта на въздействието.
Проектираната структура се определя като метаматериал – изкуствено създадена система, която притежава свойства, липсващи в чистата природа. Този метаматериал действа като малка автономна машина, която може сама да усети скоростта на удара и да реагира физически на него, без да се нуждае от вградени електронни сензори или външно управление. Вместо структурата да бъде програмирана как да реагира, физичните закони на триенето определят реакцията, като бързите натоварвания задействат едно поведение, а бавните – съвсем друго.
Области на приложение и бъдещ потенциал
Възможните приложения на тази нова технология са изключително широки и обхващат няколко ключови индустрии. На първо място е меката роботика, където се разработват машини, предназначени за безопасна съвместна работа с хора. Адаптивността на новия материал позволява на роботите да реагират на околната среда и на допир, без да изискват тежки мотори, сложни компютърни системи за контрол или допълнително окабеляване.
Друго важно направление е производството на защитно оборудване и предпазни средства. Тъй като материалът може едновременно да абсорбира и да разсейва енергията при внезапен силен сблъсък, като падане, катастрофа или удар, той е изключително подходящ за направата на по-ефективни каски, протектори и специализирано облекло. Това би намалило значително риска от сериозни травми и наранявания при спорт или опасна трудова дейност.
Въпреки че учените използват естествените оризови зърна предимно като доказателство за концепцията, предстои още много работа и изследвания, преди технологията да навлезе в масовото производство и реалния свят. Откритието обаче доказва, че решенията за най-сложните инженерни предизвикателства понякога се крият в най-простите продукти от ежедневието.
Източник: Food & Wine
