Nowe materiały pomogą w rozwoju budownictwa?

Nie występują w naturze – są projektowane i tworzone przez człowieka, ale mają niezwykłe właściwości mechaniczne. Mowa o metamateriałach tensegrity. Ich wyjątkowość można wykorzystać w budownictwie, ale jak to robić optymalnie? Tematem zajmują się naukowcy z Politechniki Warszawskiej.  

– Mamy dwa główne cele: opracowanie algorytmu służącego do identyfikacji ekstremalnych własności mechanicznych metamateriałów tensegrity oraz przeprowadzanie badań laboratoryjnych próbek takich metamateriałów wykonanych w technologii druku 3D – wyjaśnia dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka z Wydziału Inżynierii Lądowej, kierownik projektu. 

Efektem ma być uzyskanie co najmniej dwóch gradientowych (o zmieniających się parametrach) metamateriałów tensegrity o ekstremalnych własnościach mechanicznych, a także wskazanie ich potencjalnego zastosowania w budownictwie. Można by je wykorzystać do różnego typu elementów tłumiących drgania, np. mat wibroizolacyjnych  Zespół z PW chce też opracować bazę danych, zawierającą wyniki badań laboratoryjnych przeprowadzonych na elementach wydrukowanych w 3D. Skorzystaliby z niej naukowcy i inżynierowie zajmujący się badaniami elementów wibroizolacyjnych. 

Od modułu do metamateriału

Taki ma być finał. Jak do niego doprowadzić? Skoro metamateriały to sztuczne struktury, to znaczy, że ich właściwościami można sterować. Wiadomo, że są one wyjątkowe i że ta niezwykłość wynika głównie z ich kształtu i struktury na poziomie większym niż cząsteczkowy (a w mniejszym stopniu – ze składu chemicznego i fazowego). Naukowcy w projekcie skupiają się więc właśnie na tym dominującym aspekcie. 

Pochylmy się teraz nad tym, czym jest tensegrity. Najprościej opisać to jako specjalny typ konstrukcji kratownicowej, który składa się z elementów ściskanych (prętów) i rozciąganych (cięgien), połączonych tak, że cała struktura jest bardzo stabilna i wytrzymała. Tensegrity wykorzystuje stan samonaprężenia, co oznacza, że siły ściskające i rozciągające są w idealnej równowadze.

– Tensegrity znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach – wskazuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Można z nich wykonywać elementy nośne budynków czy kładek dla pieszych, a także konstrukcje rozwijalne, np. ruchome fasady czy składane słupy. Bardzo ważnym obszarem zastosowania jest też lotnictwo i kosmonautyka, w których wykorzystuje się ultralekkie struktury tensegrity jako elementy anten czy łazików planetarnych. W mniejszych skalach ze struktur tensegrity można wykonywać struktury modułowe jak metamateriały, które są przedmiotem tego projektu.

Jak zatem uzyskać metamateriał? Najprościej zbudować go z podstawowych modułów tensegrity (to np. moduły typu simplex powstałe na bazie graniastosłupów prawidłowych). Moduły to najmniejsze, elementarne cząstki materiału. Mogą być rozmieszczone na różne sposoby – od tego zależy, jakie właściwości będzie miała dana struktura. Z kilku, najczęściej ośmiu modułów, powstają superkomórki mające pożądane własności i zachowujące je przy powielaniu. W modelu matematycznym można wyznaczyć właściwości superkomórki – otrzymany na koniec metamateriał, niezależenie od liczby składowych superkomórek, będzie miał dokładnie takie same właściwości.

– Są wstępne badania, które opublikowałam w monografii „High-Performance Tensegrity-Inspired Metamaterials and Structures”, ale dotyczyły one struktur bez gradacji – tłumaczy dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Nie ma w literaturze badań metamateriałów tensegrity o zmiennych parametrach.

Teoria i praktyka

– Nasze badania będą obejmowały struktury trójwymiarowe i mają doprowadzić do opracowania nowego algorytmu do analizy inteligentnych metamateriałów o zmiennych własnościach mechanicznych – opisuje dr hab. inż. Anna Al Sabouni-Zawadzka. – Metamateriały będą miały strukturę komórkową i będą oparte na regularnych modułach tensegrity o zmiennych proporcjach geometrycznych, różnych sposobach łączenia, zmiennej sztywności. Przeanalizujemy różne sposoby uzyskiwania gradientowych (czyli o zmieniających się parametrach) własności oraz ich wpływ na ekstremalne cechy struktur tensegrity. 

Na takie cechy zwraca się szczególną uwagę, bo pozwalają na uzyskanie struktury, która w jednym kierunku będzie miała dużą nośność i będzie sztywna pod przyłożonym obciążeniem (np. w kierunku pionowym), a pod wpływem obciążenia przyłożonego w innym kierunku (np. poziomo) będzie bardzo podatna. Jest to ważne np. w przypadku mat tłumiących drgania sejsmiczne.

Stworzenie algorytmu to realizacja pierwszego (teoretycznego) celu projektu. Cel drugi jest praktyczny – to sprawdzenie, jak algorytm działa. 

– Zaplanowaliśmy badania laboratoryjne na próbkach pojedynczych modułów, superkomórek i metamateriałów tensegrity wykonanych w technologii druku 3D. 

Projekt „Badania numeryczne i doświadczalne gradientowych metamateriałów tensegrity o ekstremalnych własnościach mechanicznych” jest realizowany w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki z programu SONATA 18. Obecnie trwa rekrutacja na uczestnika projektu – specjalistę w zakresie druku 3D – to oferta dla osoby w trakcie studiów lub doktoratu. Zgłoszenia są przyjmowane do 31 lipca, a szczegóły ogłoszenia znajdują się na tej stronie.