Dodano: 24 lipiec 2020r.

Inżynierowie opracowali materiał, którego nie da się przeciąć

Grupa inżynierów opracowała materiał, którego nie da się przeciąć. Proteusz, bo tak został nazwany nowy materiał, odwraca siłę narzędzia tnącego przeciwko niemu samemu, co powoduje jego uszkodzenie. Głównym autorem badań jest doktor Stefan Szyniszewski związany wcześniej z Politechniką Warszawską, a obecnie pracujący w Durham University.

Inżynierowie opracowali materiał, którego nie da się przeciąć

 

Nawet najlepsze zamki i wzmocnione drzwi to niewiele więcej niż niedogodność dla zmotywowanego złodzieja z odpowiednimi narzędziami. Ale to może się zmienić za sprawą wynalazku grupy inżynierów z Durham University, University of Stirling, Fraunhofer Institute i kilku innych instytucji. Opracowali oni syntetyczny materiał, który może zniechęcić nawet najbardziej zdeterminowanych intruzów, gdyż nie imają się go szlifierki kątowe czy wiertła.

Proteusz, bo tak badacze nazwali nowy materiał, jest lekki, ale niezwykle odporny i może zniszczyć każde narzędzie, którym spróbuje się go przeciąć. Może posłużyć do produkcji nowej generacji odzieży ochronnej, zamków, sejfów czy zabezpieczeń rowerowych. Opis prac nad materiałem ukazał się na łamach pisma „Scientific Reports”.

Inspiracja zaczerpnięta z natury

Nazwę dla materiału uczeni zaczerpnęli z mitologii greckiej. Proteusz, morskie bóstwo, słyną ze zdolności zmieniania kształtów. Podobnie jest z nowym materiałem. Może on reagować na różne sposoby, by bronić się przed przecięciem.

Naturalne materiały, takie jak chociażby diament, są mocne ze względu na gęstą siatkę wiązań atomowych, ale to sprawia również, że są mało elastyczne. Za pomocą odpowiednich narzędzi (również wykonanych z diamentu) możesz ciąć diament. Ale Proteusz czerpie inspirację z zupełnie innego źródła. Pomysł na nowy, lekki materiał zrodził się z rozwiązania opracowanego przez naturę, a konkretnie z twardej skóry grejpfruta i odpornych na pękanie muszli małża.

Proteusz jest wykonany z ceramicznych kuleczek zamkniętych w przypominającej strukturę komórkową aluminiowej piance, dzięki czemu ma zaledwie 15 procent gęstości stali. Działa poprzez odwrócenie siły działającego na siebie narzędzia tnącego. Muszle stworzeń morskich często mają podobną konstrukcję, z warstwami węglanu wapnia zawieszonymi w miękkiej strukturze organicznej. W ten sam sposób, w jaki skorupa małża może tępić zęby lub pazury chętnych na łatwy posiłek drapieżników, materiał może tępić narzędzia używane do cięcia.

Proteusz 

Nowy materiał nie jest zupełnie niewrażliwy na uszkodzenia. Owszem, narzędzia są zdolne go zniszczyć, ale większym uszkodzeniom ulegną one same. Podczas testów uczeni nie byli w stanie przeciąć Proteusza wiertłami, szlifierkami kątowymi i podobnymi urządzeniami. Na przykład taka szlifierka kątowa, która potrzebowała tylko 45 sekund na przecięcie stalowej blachy, została zniszczona przy próbie przecięcia Proteusza.

Materiał okazał się odporny nawet na silne strumienie wody przecinarek wodnych – ceramiczne sfery zatopione w materiale odkształcają się, rozpraszając strumień wody i zmniejszając jego prędkość o dwa rzędy wielkości, przez co zapobiegają dodatkowym uszkodzeniom.

Na poniższym filmie można zobaczyć próbę przecięcia Proteusza szlifierką.

Materiał, który sam się broni przed przecięciem

Kluczem do wyjątkowej wytrzymałości Proteusza są ceramiczne kuleczki. Zewnętrzna powłoka materiału została zaprojektowana tak, aby ustąpiła, ale ceramiczne sfery w jej środku wibrują, gdy narzędzia próbują ciąć materiał. Im większa siła narzędzia tnącego, tym silniejsza reakcja ze strony Proteusza. Ten rezonans między ceramicznymi sferami a narzędziem tnącym powoduje stępienie tarczy tnącej lub wiertła.

Materiał posiada drugi mechanizm obronny. Próba przecięcia powoduje rozbicie części ceramicznych kuleczek na mniejsze fragmenty, które wypełniają komórkową strukturę materiału i twardnieją wraz ze wzrostem prędkości narzędzia tnącego i działają jak bardzo mocny papier ścierny. - Atak powoduje, że materiał staje się jeszcze bardziej na niego odporny – powiedziała Miranda Anderson z University of Stirling w Wielkiej Brytanii, współautorka publikacji.

Polski wątek

Głównym autorem publikacji jest Stefan Szyniszewski, który obecnie pracuje w Durham University, ale zaczynał karierę naukową na Politechnice Warszawskiej. Jak przyznał, próba przecięcia Proteusza może przypominać próbę cięcia galaretki wypełnionej bryłkami. Po pokonaniu galaretki narzędzie uderza w bryłki, co powoduje wibracje materiału, które niszczą narzędzia.

- Zaintrygowało nas to, jak struktura grejpfruta i muszli mięczaków może zapobiegać uszkodzeniom owoców lub stworzenia znajdującego się w środku, mimo że obie są wykonane ze stosunkowo słabych materiałów organicznych. Te naturalne struktury kształtowały zasadę działania naszego materiału metaliczno-ceramicznego. Ceramika osadzona w tym elastycznym materiale jest wykonana z bardzo drobnych cząstek, które usztywniają i opierają się szlifierce kątowej lub wiertarce podczas cięcia z dużą prędkością w taki sam sposób, w jaki worek z piaskiem zatrzymuje pocisk przy dużej prędkości. Ten materiał może mieć wiele przydatnych i ekscytujących zastosowań w branży bezpieczeństwa i ochrony. Prawdę powiedziawszy nie znamy żadnego innego stworzonego przez człowieka materiału, którego nie można przecinać - wyjaśnił Szyniszewski.

Autorzy materiały są przekonani, że Proteusza można wykorzystać do produkcji wyposażenia ochronnego dla osób pracujących z narzędziami tnącymi – zabezpieczających podeszw do butów czy ochraniaczy na łokcie czy ramiona. Z materiału może też produkować odporne na cięcie zamki do drzwi, same drzwi czy sejfy. Ucieszą się z niego też rowerzyści, korzystający z wykonanych z Proteusza zabezpieczeń do rowerów.

Dodatkowym plusem Proteusza jest fakt, że składniki potrzebne do jego produkcji są powszechne i tanie.

 

Źródło: Durham University, University of Stirling