मानव हड्डी की कठोर बाहरी परत की वास्तुकला से प्रेरित होकर, प्रिंसटन के इंजीनियरों ने एक सीमेंट-आधारित सामग्री विकसित की है जो मानक समकक्षों की तुलना में 5.6 गुना अधिक क्षति-प्रतिरोधी है।पारंपरिक, भंगुर सीमेंट-आधारित समकक्षों के विपरीत, जैव-प्रेरित डिज़ाइन सामग्री को टूटने से बचाने और अचानक विफलता से बचने की अनुमति देता है।

एक नये मेंलेखजर्नल मेंउन्नत सामग्री, सिविल के सहायक प्रोफेसर रेजा मोइनी के नेतृत्व में शोध दलपर्यावरणीय इंजीनियरिंग, और शशांक गुप्ता, तीसरे वर्ष के पीएच.डी.उम्मीदवार, दर्शाता है कि ट्यूब जैसी वास्तुकला के साथ तैनात सीमेंट पेस्ट दरार प्रसार के प्रतिरोध को काफी बढ़ा सकता है और अचानक विफलता के बिना विकृत करने की क्षमता में सुधार कर सकता है।

गुप्ता ने कहा, "भंगुर निर्माण सामग्री की इंजीनियरिंग में एक चुनौती यह है कि वे अचानक, विनाशकारी तरीके से विफल हो जाती हैं।"

भवन और नागरिक बुनियादी ढांचे में उपयोग की जाने वाली भंगुर निर्माण सामग्री में, ताकत भार सहने की क्षमता सुनिश्चित करती है, जबकि कठोरता संरचना में दरार और क्षति के प्रसार के प्रतिरोध का समर्थन करती है।प्रस्तावित तकनीक एक ऐसी सामग्री बनाकर उन समस्याओं से निपटती है जो ताकत बनाए रखते हुए पारंपरिक समकक्षों की तुलना में अधिक कठिन है।

मोइनी ने कहा कि सुधार की कुंजी समग्र यांत्रिक प्रतिक्रिया के साथ दरार के मोर्चे पर तनाव को संतुलित करके आंतरिक वास्तुकला के उद्देश्यपूर्ण डिजाइन में निहित है।

उन्होंने कहा, "हम सामग्री के मौलिक गुणों को डिजाइन के आधार पर सुधारने के लिए फ्रैक्चर यांत्रिकी और सांख्यिकीय यांत्रिकी के सैद्धांतिक सिद्धांतों का उपयोग करते हैं।"

टीम मानव कॉर्टिकल हड्डी से प्रेरित थी, मानव फीमर का घना बाहरी आवरण जो ताकत प्रदान करता है और फ्रैक्चर का प्रतिरोध करता है।कॉर्टिकल हड्डी में अण्डाकार ट्यूबलर घटक होते हैं जिन्हें ऑस्टियन कहा जाता है, जो कार्बनिक मैट्रिक्स में कमजोर रूप से एम्बेडेड होते हैं।यह अनूठी वास्तुकला ओस्टोन के चारों ओर की दरारों को विक्षेपित करती है।गुप्ता ने कहा, यह अचानक विफलता को रोकता है और दरार प्रसार के प्रति समग्र प्रतिरोध को बढ़ाता है।

टीम के जैव-प्रेरित डिज़ाइन में सीमेंट पेस्ट के भीतर बेलनाकार और अण्डाकार ट्यूब शामिल हैं जो फैलने वाली दरारों के साथ संपर्क करते हैं।

मोइनी ने कहा, "किसी को उम्मीद है कि खोखली ट्यूबों को शामिल करने पर सामग्री टूटने के प्रति कम प्रतिरोधी हो जाएगी।""हमने सीखा कि ट्यूब ज्यामिति, आकार, आकृति और अभिविन्यास का लाभ उठाकर, हम किसी अन्य संपत्ति का त्याग किए बिना एक संपत्ति को बढ़ाने के लिए क्रैक-ट्यूब इंटरैक्शन को बढ़ावा दे सकते हैं।"

टीम ने पाया कि इस तरह की बढ़ी हुई क्रैक-ट्यूब इंटरैक्शन एक चरणबद्ध सख्त तंत्र की शुरुआत करती है, जहां दरार को पहले ट्यूब द्वारा फंसाया जाता है और फिर प्रसार में देरी होती है, जिससे प्रत्येक इंटरैक्शन और चरण पर अतिरिक्त ऊर्जा अपव्यय होता है।

गुप्ता ने कहा, "जो बात इस चरणबद्ध तंत्र को अद्वितीय बनाती है वह यह है कि प्रत्येक दरार विस्तार को नियंत्रित किया जाता है, जिससे अचानक, विनाशकारी विफलता को रोका जा सकता है।""एक ही बार में टूटने के बजाय, सामग्री प्रगतिशील क्षति का सामना करती है, जिससे यह अधिक मजबूत हो जाती है।"

फाइबर या प्लास्टिक जोड़कर सीमेंट-आधारित सामग्रियों को मजबूत करने वाले पारंपरिक तरीकों के विपरीत, प्रिंसटन टीम का दृष्टिकोण ज्यामितीय डिजाइन पर निर्भर करता है।सामग्री की संरचना में हेरफेर करके, वे अतिरिक्त सामग्री की आवश्यकता के बिना कठोरता में महत्वपूर्ण सुधार प्राप्त करते हैं।

सुधार के अलावाअस्थिभंग बेरहमी, शोधकर्ताओं ने विकार की डिग्री को मापने के लिए एक नई विधि पेश की, जो डिजाइन के लिए एक महत्वपूर्ण मात्रा है।पर आधारितसांख्यिकीय यांत्रिकी, टीम ने वास्तुशिल्प सामग्रियों में अव्यवस्था की डिग्री निर्धारित करने के लिए पैरामीटर पेश किए।इसने शोधकर्ताओं को वास्तुकला की अव्यवस्था की डिग्री को दर्शाते हुए एक संख्यात्मक ढांचा बनाने की अनुमति दी।

शोधकर्ताओं ने कहा कि नया ढांचा सामग्री की व्यवस्था का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व प्रदान करता है, जो आवधिक और गैर-आवधिक के सरल द्विआधारी वर्गीकरण से परे, आदेशित से यादृच्छिक तक एक स्पेक्ट्रम की ओर बढ़ता है।मोइनी ने कहा कि अध्ययन उन दृष्टिकोणों के बीच अंतर करता है जो अनियमितता और गड़बड़ी को वोरोनोई टेस्सेलेशन और गड़बड़ी विधियों जैसे सांख्यिकीय विकारों के साथ भ्रमित करते हैं।

मोइनी ने कहा, "यह दृष्टिकोण हमें अव्यवस्था की अनुरूप डिग्री के साथ सामग्रियों का वर्णन और डिजाइन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण देता है।""एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग जैसी उन्नत निर्माण विधियों का उपयोग अधिक अव्यवस्थित और यांत्रिक रूप से अनुकूल संरचनाओं के डिजाइन को बढ़ावा दे सकता है और कंक्रीट के साथ नागरिक बुनियादी ढांचे के घटकों के लिए इन ट्यूबलर डिजाइनों को बढ़ाने की अनुमति दे सकता है।"

शोध दल ने भी हाल ही मेंविकसित TECHNIQUES अनुमतिरोबोटिक्स और एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग का उपयोग करके बहुत अधिक सटीकता के लिए।उन्हें नए आर्किटेक्चर और ट्यूबों के भीतर कठोर या नरम सामग्रियों के संयोजन में लागू करके, वे निर्माण सामग्री में अनुप्रयोगों की संभावनाओं का विस्तार करने की उम्मीद करते हैं।

गुप्ता ने कहा, "हमने अभी संभावनाएं तलाशनी शुरू ही की हैं।""जांच करने के लिए कई चर हैं, जैसे सामग्री में ट्यूबों के आकार, आकार और अभिविन्यास में विकार की डिग्री को लागू करना। इन सिद्धांतों को अधिक क्षति-प्रतिरोधी संरचनाओं को इंजीनियर करने के लिए अन्य भंगुर सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है।"