Atklājumi.lv

e-žurnāls par zinātni, cilvēku un rītdienas tehnoloģijām

Izstrādā īpaši izturīgu materiālu, izmantojot fraktāļveida bišu šūnu formas struktūras

Detaļas: Publicēts 24 Septembris 2014

Sešstūrainas, bišu šūnām līdzīgas struktūras atrodamas daudzos bioloģiskajos materiālos. Tagad, kombinējot bišu šūnu struktūru rakstus, Lielbritānijas, ASV un Francijas zinātniekiem izdevies izgatavot īpaši izturīgu un vieglu materiālu, kuram potenciālo pielietojumu varētu atrast visdažādākajās nozarēs, sākot ar medicīnu un beidzot ar kosmiskajām tehnoloģijām un aparātiem.

Sešstūrainās šūnas ne tikai bitēm

Sešstūrainie raksti dabā bieži sastopami tur, kur vienuviet nepieciešams spēks, stingrība un vieglums, piemēram, Amerikas bruņnešu bruņās, putnu knābjos un, protams, bišu veidotajās vaska šūnās.

Inženieri jau sen izmanto sešstūrainās bišu šūnu veida struktūras to izturības un zemā blīvuma dēļ. Struktūras līdz šim izmantotas gan satelītu sastāvdaļu izgatavošanā, gan kā balsts sirds audu audzēšanas procesā.

Jaunā pētījuma rezultātā Ziemeļaustrumu universitātes (ASV), Lionas universitātes (Francija) un Oksfordas universitātes (Lielbritānija) zinātniekiem izdevies pierādīt, ka sešstūrainās struktūras patiesībā var būt vēl izturīgākas pret deformācijām, nekā domāts iepriekš, un struktūru izturību iespējams palielināt, izmantojot fraktāļu principus.

Fraktāļi ir ģeometriskas figūras, kas sastāv no vairākām, bezgalīgi atkārtojamām, pašlīdzīgām daļām, kas izskatās tāpat, kā visa figūra kopumā. Arī daudziem dabā sastopamiem objektiem ir fraktāļveida uzbūve. Hierarhiskās struktūras dabā var novērot dažādos mērogos gan organiskajos materiālos, gan bioloģiskajās sistēmās. Kā piemērus šeit var minēt plaušu alveolu sazarojumus, priedes čiekura sēklas, dažādus brokoļu veidus, ūdenstilpņu krasta līnijas un tamlīdzīgi.

Lai gan bišu šūnai dabīgi nepiemīt fraktāļveida uzbūve, jo tās raksturīgā forma eksistē tikai vienā mērogā, tomēr hierarhisko, fraktālo struktūru iespējams izveidot, katru trīs malu virsotni aizstājot ar citu, mazāku sešstūri (skatīt augšējo attēlu).

Meklējot bišu šūnu tipa struktūru izturības limitu

Lai noskaidrotu, kā hierarhiskās struktūras izveide ietekmē materiāla mehāniskās īpašības, pētījumā iesaistītie zinātnieki novēroja, kā mainās materiāla īpašības atkarībā no tā, cik reizes sešstūrainā šūna tika atkārtota. Īpaša uzmanība tika pievērsta struktūru izturībai pret deformācijām. Novērojumiem tika izmantoti gan MATLAB datoru modeļi, gan eksperimentālā testēšana.

„Mūsu mērķis ir izveidot jaunas hierarhiski būvētas struktūras, kas ievērojami pārspēj klasiskās šūnveida struktūras mehānisko atbildes reakciju ziņā,” norādījis jaunā materiāla izstrādē iesaistītais pētnieks Aškans Vaziri (Ashkan Vaziri).

Pētījuma gaitā ar datora simulāciju palīdzību tika noteikta struktūru spēja izturēt dažāda veida deformācijas. Lai noskaidrotu atšķirības starp struktūrām, kas sastāv no dažāda sešstūru skaita, zinātnieku komanda katrai no tām digitāli koriģēja biezumu, lai pārliecinātos, ka visām struktūrām ir vienāds blīvums. „Kopumā, palielinot šūnu struktūru blīvumu un vienlaikus saglabājot to topoloģiju, uzlabojas to mehāniskās īpašības. Lai izpētītu fraktāļveida uzbūves ietekmi uz struktūru mehāniskajām īpašībām, mēs saglabājām to relatīvo blīvumu, vienlaikus palielinot struktūrā esošo elementu skaitu.” paskaidrojis Vaziri.

Ar datorsimulāciju palīdzību zinātnieki noskaidroja, ka struktūru elastība uzlabojas tikai līdz noteiktam hierarhiskās kārtības (struktūrā esošo elementu atkārtojamības) slieksnim. Turklāt aprēķini liecina, ka materiālu ar vēlamo elastību būtu iespējams izgatavot relatīvi vienkārši un tajā nemaz nebūtu nepieciešams sasniegt ļoti augstu hierarhisko elementu daudzumu.

Jaunā materiāla nākotne

Pēc tam, kad zinātnieki bija veikuši visus nepieciešamos topošā materiāla pētījumus virtuāli, rezultāti, izmantojot trīsdimensiju printeri, tika testēti laboratorijā - ar 3D printera palīdzību tika izgatavotas piecas polimēra bišu šūnu tipa struktūras, no kurām katrā tika palielināta figūras atkārtojamība (hierarhiskā struktūra). Šūnu sienu biezums, vadoties no printera tehniskajām iespējām, bija 2mm. Lai panāktu nemainīgu materiāla blīvumu, līdzīgi kā virtuālajos moduļos, katram modelim sieniņu biezuma vietā tika mainīts šūnu izmērs. Šūnu malu garums variēja no 0,6 līdz 2,2 cm. Pēc tam tika testēta katras struktūras izturība pret deformācijām. Rezultāti izrādījās ļoti līdzīgi virtuālajos moduļos iegūtajiem – struktūrām ar lielāku atkārtojamību izturība bija ievērojami augstāka, un tās pieaugums turpinājās līdz noteiktam slieksnim.

Lai gan šobrīd izstrādātās struktūras ir relatīvi lielas, pētījuma autori uzskata, ka līdzīgu materiālu, izmantojot oglekļa nanocaurulītes,varētu izgatavot arī ievērojami mazākā izmērā, kas tam pavērtu plašu pielietojamību bioinženierijā un materiālu zinātnē.

Attēls: publicitātes foto.

Avots:

physicsworld.com