Các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp để thiết kế vật liệu tổng hợp và nhanh chóng biến thiết kế thành hiện thực bằng cách sử dụng tối ưu hóa máy tính và ing 3-D.
Các nhà nghiên cứu làm việc để thiết kế các vật liệu mới bền, nhẹ và bền vững với môi trường đang ngày càng tìm đến các vật liệu tổng hợp tự nhiên, như xương, để lấy cảm hứng: Xương rất chắc và cứng vì hai vật liệu cấu thành của nó, protein collagen mềm và khoáng hydroxyapatite cứng, được sắp xếp trong mô hình phân cấp phức tạp thay đổi ở mọi quy mô của hỗn hợp, từ vi mô đến vĩ mô.
Trong khi các nhà nghiên cứu đã đưa ra các cấu trúc phân cấp trong thiết kế vật liệu mới, thì việc chuyển từ mô hình máy tính sang sản xuất các tạo tác vật lý là một thách thức dai dẳng. Điều này là do các cấu trúc phân cấp cung cấp cho vật liệu tổng hợp tự nhiên sức mạnh của chúng được tự lắp ráp thông qua các phản ứng điện hóa, một quá trình không dễ dàng lặp lại trong phòng thí nghiệm.
Tín dụng hình ảnh: Shutterstock / Thorsten Schmitt
Bây giờ các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển một cách tiếp cận cho phép họ biến thiết kế của họ thành hiện thực. Chỉ trong vài giờ, họ có thể chuyển trực tiếp từ mô hình máy tính đa cấp của vật liệu tổng hợp sang tạo mẫu vật lý.
Trong một bài báo xuất bản trực tuyến ngày 17 tháng 6 trên Tài liệu chức năng nâng cao, phó giáo sư Markus Buehler của Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường và các đồng tác giả mô tả phương pháp của họ.Sử dụng các thiết kế polyme mềm và cứng được tối ưu hóa bằng máy tính được đặt trong các mô hình hình học tái tạo các mẫu tự nhiên của bản thân và một loại 3-D có hai polyme cùng một lúc, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các mẫu vật liệu tổng hợp có hành vi gãy xương tương tự như xương. Một trong những chất tổng hợp có khả năng chống gãy gấp 22 lần so với vật liệu cấu thành mạnh nhất của nó, một kỳ tích đạt được bằng cách thay đổi thiết kế phân cấp của nó.
Hai mạnh hơn một
Collagen trong xương quá mềm và co giãn để phục vụ như một vật liệu cấu trúc, và khoáng hydroxyapatite dễ gãy và dễ bị gãy. Tuy nhiên, khi cả hai kết hợp, chúng tạo thành một hỗn hợp đáng chú ý có khả năng cung cấp hỗ trợ xương cho cơ thể con người. Các mô hình phân cấp giúp xương chịu được gãy xương bằng cách tiêu tán năng lượng và phân phối thiệt hại trên một diện tích lớn hơn, thay vì để vật liệu bị hỏng tại một điểm.
Buehler, người đã thực hiện nghiên cứu sâu rộng về cấu trúc phân tử và gãy xương, cho biết, các mô hình hình học mà chúng ta sử dụng trong các vật liệu tổng hợp dựa trên các vật liệu tự nhiên như xương hoặc xà cừ, nhưng cũng bao gồm các thiết kế mới không tồn tại trong tự nhiên. hành vi của vật liệu sinh học. Đồng tác giả của ông là sinh viên tốt nghiệp Leon Dimas và Graham Bratzel, và Ido Eylon của nhà sản xuất 3-D er Stratasys. Các kỹ sư của chúng tôi không còn giới hạn trong các mẫu tự nhiên. Chúng tôi có thể tự thiết kế, có thể hoạt động tốt hơn những thứ đã tồn tại.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra ba vật liệu tổng hợp tổng hợp, mỗi vật liệu này dày một phần tám inch và kích thước khoảng 5 x 7 inch. Mẫu đầu tiên mô phỏng các tính chất cơ học của xương và xà cừ (còn được gọi là mẹ của ngọc trai). Tổng hợp này có một mô hình siêu nhỏ trông giống như một bức tường gạch so le: Một polymer đen mềm hoạt động như vữa, và một polymer xanh cứng tạo thành các viên gạch. Một hỗn hợp khác mô phỏng calcit khoáng sản, với mô hình gạch và vữa đảo ngược có gạch mềm được bao trong các tế bào polymer cứng. Hỗn hợp thứ ba có mô hình kim cương giống như da rắn. Cái này được thiết kế riêng để cải thiện một khía cạnh của khả năng xương và dịch chuyển sát thương.
Một bước tiến tới ‘siêu vật liệu
Nhóm nghiên cứu đã xác nhận tính chính xác của phương pháp này bằng cách đưa các mẫu qua một loạt các thử nghiệm để xem liệu các vật liệu mới có bị gãy giống như các đối tác mô phỏng trên máy tính của chúng hay không. Các mẫu đã vượt qua các thử nghiệm, xác nhận toàn bộ quá trình và chứng minh tính hiệu quả và chính xác của thiết kế được tối ưu hóa cho máy tính. Theo dự đoán, vật liệu xương chậu được chứng minh là khó khăn nhất về tổng thể.
Quan trọng nhất, các thí nghiệm đã xác nhận dự đoán tính toán của mẫu vật xương khớp thể hiện khả năng chống gãy xương lớn nhất, theo ông Dimas, tác giả đầu tiên của bài báo. Vùi và chúng tôi đã chế tạo được một hỗn hợp có khả năng chống gãy lớn hơn 20 lần so với thành phần mạnh nhất của nó.
Theo Buehler, quy trình này có thể được mở rộng để cung cấp một phương tiện sản xuất vật liệu hiệu quả về mặt chi phí bao gồm hai hoặc nhiều thành phần, được sắp xếp theo mô hình của bất kỳ biến thể nào có thể tưởng tượng và được điều chỉnh cho các chức năng cụ thể trong các phần khác nhau của cấu trúc. Ông hy vọng rằng cuối cùng toàn bộ các tòa nhà có thể phù hợp với các vật liệu được tối ưu hóa kết hợp các mạch điện, hệ thống ống nước và thu hoạch năng lượng. Các khả năng dường như vô tận, vì chúng ta mới bắt đầu đẩy các giới hạn của các loại tính năng hình học và kết hợp vật liệu mà chúng ta có thể, theo ông Buehler.
Thông qua MIT