Melbourne, AUS (abki) – Inspiriert vom einfachen Tiefseeschwamm haben Ingenieure der RMIT-Universität ein neues Material mit bemerkenswerter Druckfestigkeit und Steifigkeit entwickelt, das architektonische und produktbezogene Designs verbessern könnte.
Das doppelte Gitterdesign wurde durch das komplizierte Skelett eines Tiefseeschwamms inspiriert, der als Venusblütenkorb bekannt ist und im Pazifik lebt.
Dr. Jiaming Ma, Hauptautor der jüngsten RMIT-Studie über die Struktur, sagte, dass umfangreiche Tests und Optimierungen die beeindruckende Kombination aus Steifigkeit und Festigkeit des Musters mit der Fähigkeit, sich beim Zusammendrücken zusammenzuziehen, gezeigt haben.
Dieser letzte Aspekt – das so genannte auxetische Verhalten – eröffnet eine ganze Reihe von Möglichkeiten für die Anwendung der Konstruktion im Bauwesen und in anderen Bereichen. „Während die meisten Materialien dünner werden, wenn sie gedehnt werden, oder dicker, wenn sie zusammengedrückt werden, wie Gummi, machen Auxetics das Gegenteil“, sagte Ma. „Auxetics können Aufprallenergie effektiv absorbieren und verteilen, was sie extrem nützlich macht.“
Zu den natürlichen Auxetic-Materialien gehören Sehnen und Katzenhaut, während synthetische Materialien zur Herstellung von Herz- und Gefäßstents verwendet werden, die sich je nach Bedarf ausdehnen und zusammenziehen.
Auxetic-Materialien haben zwar nützliche Eigenschaften, doch ihre geringe Steifigkeit und begrenzte Energieabsorptionskapazität schränken ihre Anwendungsmöglichkeiten ein. Das von der Natur inspirierte Doppelgitterdesign des Teams ist von Bedeutung, da es diese Hauptnachteile überwindet.
„Jedes Gitter für sich hat ein herkömmliches Verformungsverhalten, aber wenn man sie kombiniert, wie es die Natur im Tiefseeschwamm tut, dann reguliert es sich selbst und behält seine Form bei und übertrifft ähnliche Materialien um ein Vielfaches“, so Ma.
Die in der Fachzeitschrift Composite Structures veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass das Gitter bei gleichem Materialeinsatz 13-mal steifer ist als bestehende auxetische Materialien, die auf einspringenden Wabenkonstruktionen beruhen. Außerdem kann es 10 % mehr Energie absorbieren und gleichzeitig sein auxetisches Verhalten beibehalten, wobei der Dehnungsbereich um 60 % größer ist als bei bestehenden Konstruktionen.
Dr. Ngoc San Ha sagte, die einzigartige Kombination dieser Eigenschaften eröffne mehrere spannende Anwendungen für ihr neues Material. „Dieses bioinspirierte auxetische Gitter bietet uns die bisher solideste Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Gebäude der nächsten Generation“. „Unser auxetisches Metamaterial mit hoher Steifigkeit und Energieabsorption könnte in verschiedenen Bereichen erhebliche Vorteile bieten, von Baumaterialien über Schutz- und Sportausrüstung bis hin zu medizinischen Anwendungen“, sagte er.
Die bioinspirierte Gitterstruktur könnte beispielsweise als Stahlgerüst für Gebäude verwendet werden, so dass mit weniger Stahl und Beton ähnliche Ergebnisse erzielt werden können wie mit einem herkömmlichen Gerüst.
Die Struktur könnte auch die Grundlage für leichte Sportschutzausrüstung, kugelsichere Westen oder medizinische Implantate bilden.
Honorarprofessor Mike Xie sagte, das Projekt zeige, wie wichtig es sei, sich von der Natur inspirieren zu lassen.
„Die Biomimikry schafft nicht nur schöne und elegante Designs wie dieses, sondern auch intelligente Designs, die über Millionen von Jahren der Evolution optimiert wurden und von denen wir lernen können“, so Xie.
Nächste Schritte
Das Team des RMIT Centre for Innovative Structures and Materials hat das Design mithilfe von Computersimulationen und Labortests an einem 3D-gedruckten Muster aus thermoplastischem Polyurethan getestet.
Sie planen nun die Herstellung von Stahlversionen des Entwurfs, die zusammen mit Beton- und Stampflehmkonstruktionen verwendet werden sollen – eine Bautechnik, bei der verdichtete natürliche Rohstoffe verwendet werden.
„Obwohl dieses Design vielversprechende Anwendungen für Sportgeräte, PSA und medizinische Anwendungen haben könnte, liegt unser Hauptaugenmerk auf dem Bau- und Konstruktionsaspekt“, so Ma. „Wir entwickeln ein nachhaltigeres Baumaterial, indem wir die einzigartige Kombination aus hervorragender Dehnbarkeit, Steifigkeit und Energieabsorption nutzen, um den Einsatz von Stahl und Zement beim Bau zu reduzieren. „Seine auxetischen und energieabsorbierenden Eigenschaften könnten auch dazu beitragen, Vibrationen bei Erdbeben zu dämpfen.
Das Team plant auch, dieses Design mit Algorithmen des maschinellen Lernens zu integrieren, um es weiter zu optimieren und programmierbare Materialien zu schaffen.
‘Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge’ is published in Composite Structures (DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118835)
Quelle: RMIT-Universität, Hilfsmittel: KI, Lektorat: Architekturblatt