プリンストン大学のエンジニアは、人間の骨の丈夫な外層の構造にヒントを得て、標準的なものよりも 5.6 倍耐損傷性のあるセメントベースの材料を開発しました。生物由来の設計により、従来の脆いセメントベースの対応物とは異なり、材料がひび割れに強く、突然の破損を回避できます。

新しい記事日記で先端材料、民事科学の助教授であるレザ・モイニが率いる研究チーム環境工学、博士課程3年生のシャシャンク・グプタさん。候補者は、チューブ状の構造で展開されたセメントペーストが亀裂の伝播に対する抵抗を大幅に増加させ、突然破損することなく変形する能力を向上させることができることを実証しています。

「脆い建築材料を設計する際の課題の 1 つは、材料が突然、壊滅的な形で破損することです」とグプタ氏は述べています。

建築や土木インフラに使用される脆性建築材料では、強度によって荷重に耐える能力が確保され、靭性によって構造の亀裂や損傷の拡大に対する抵抗力が支えられます。提案された技術は、強度を維持しながら従来のものよりも強靭な材料を作成することでこれらの問題に取り組みます。

モイニ氏は、改善の鍵は、亀裂前面の応力と全体的な機械的応答のバランスをとることによる、内部構造の目的を持った設計にあると述べた。

「私たちは破壊力学と統計力学の理論原理を使用して、材料の基本的な特性を『設計によって』改善しています」と彼は言いました。

チームは、強度を提供し、骨折に抵抗する人間の大腿骨の緻密な外殻である人間の皮質骨からインスピレーションを受けました。皮質骨は、有機基質に弱く埋め込まれたオステオンとして知られる楕円形の管状構成要素で構成されています。このユニークな構造は、オステオンの周囲の亀裂をそらします。これにより、突然の破損が防止され、亀裂の伝播に対する全体的な抵抗が増加するとグプタ氏は述べています。

チームの生物からインスピレーションを得た設計には、伝播する亀裂と相互作用する円筒形と楕円形のチューブがセメントペースト内に組み込まれています。

「中空チューブが組み込まれると、材料の亀裂に対する耐性が低下すると予想されます」とモイニ氏は述べた。「チューブの形状、サイズ、形状、向きを利用することで、亀裂とチューブの相互作用を促進して、別の特性を犠牲にすることなく、ある特性を強化できることがわかりました。」

研究チームは、このように強化された亀裂とチューブの相互作用が段階的な強化メカニズムを開始し、亀裂が最初にチューブに捕らえられ、次に伝播を遅らせ、各相互作用とステップで追加のエネルギー散逸につながることを発見しました。

「この段階的なメカニズムがユニークなのは、各亀裂の広がりが制御され、突然の壊滅的な破損が防止されることです」とグプタ氏は述べています。「一度にすべてが壊れるのではなく、この素材は進行性の損傷に耐え、より頑丈になります。」

繊維やプラスチックを加えてセメントベースの材料を強化する従来の方法とは異なり、プリンストンのチームのアプローチは幾何学的なデザインに依存しています。材料自体の構造を操作することにより、追加の材料を必要とせずに靭性の大幅な向上を実現します。

改善することに加えて、破壊靱性、研究者らは、デザインにとって重要な量である無秩序の程度を定量化する新しい方法を導入しました。に基づく統計力学、チームは、建築材料の無秩序の程度を定量化するパラメータを導入しました。これにより、研究者は、建築の無秩序の程度を反映する数値的枠組みを作成することができました。

研究者らは、この新しいフレームワークは、周期的と非周期的という単純な二値分類を超えて、規則正しいスペクトルからランダムなスペクトルに向かって進み、材料の配置をより正確に表現できると述べた。モイニ氏は、この研究は不規則性と摂動を、ボロノイ テッセレーションや摂動法などの統計的無秩序と混同するアプローチを区別していると述べた。

「このアプローチは、調整された程度の無秩序さで材料を記述および設計するための強力なツールを提供します」とモイニ氏は述べています。「積層造形などの高度な製造方法を使用すると、より無秩序で機械的に好ましい構造の設計がさらに促進され、コンクリートを使用した土木インフラコンポーネントの管状設計のスケールアップが可能になります。」

研究チームは最近、発展した テクニック 許可するロボット工学と積層造形を使用して高い精度を実現します。これらを新しい建築物やチューブ内の硬質・軟質材料の組み合わせに適用することで、建築材料への応用の可能性を広げたいとしている。

「私たちは可能性を模索し始めたばかりです」とグプタ氏は語った。「材料内のチューブのサイズ、形状、方向に無秩序の程度を適用するなど、調査すべき変数は数多くあります。これらの原則は、他の脆性材料に適用して、より損傷に強い構造を設計できる可能性があります。」