Учёные Института Вейцмана предложили новый способ создания лёгких, гибких и одновременно прочных материалов, вдохновившись природными структурами, такими как панцирь скорпиона и внутренний скелет морской губки.

Природа совершенствовала баланс гибкости и прочности на протяжении миллионов лет, что даёт ей значительное преимущество перед человеческими технологиями. Исследователи Института Вейцмана, опираясь на эту идею, попытались выяснить, как древние организмы, такие как скорпионы и губки, достигают оптимального сочетания этих характеристик.

В отличие от большинства современных материалов, созданных человеком, которые обычно имеют однородную структуру по всему объёму, природа использует градиентную структуру, изменяя характеристики материалов на разных уровнях.

Например, материалы, созданные людьми, остаются одинаковыми на любой глубине, что делает их проще в производстве, но далеко не всегда оптимальными с точки зрения прочности и гибкости. Для увеличения прочности такие материалы, как правило, делают толще и тяжелее, что негативно сказывается на их весе и эксплуатационных свойствах.

Исследование под руководством профессора Даниэля Вагнера и доктора Израэля Гринфельда, опубликованное в журнале Scientific Reports, показало, что структура панциря скорпиона и скелета морской губки формируется иначе, что обеспечивает этим организмам идеальный баланс между гибкостью и прочностью.

Панцирь скорпиона, например, состоит из нескольких слоёв, каждый из которых имеет разные свойства. Внешние слои более прочные и хрупкие, а внутренние – мягкие и гибкие. Это позволяет трещинам не углубляться внутрь, а распространяться вдоль слоёв, что предотвращает разрушение всей структуры. В результате панцирь скорее «шелушится», чем ломается, сохраняя свою целостность.

Такая слоистая структура позволяет создать материал, который, несмотря на тонкость и лёгкость, обладает высокой прочностью. Исследователи считают, что, используя принцип градиентной структуры, можно создать искусственные материалы, которые будут значительно превосходить по прочности и гибкости существующие аналоги.

Главное применение, которое увидели учёные в своих разработках, – это авиация. Здесь прочность и лёгкость материалов играют критически важную роль, и использование природных решений, таких как структура панциря скорпиона и скелета губки, может существенно повысить эффективность конструкций.