Дослідники австралійського університету RMIT зробили неочікуваний прорив у матеріалознавстві — вони створили першу у світі плавучу конструкцію з титану. Винахід кидає виклик фізичним законам, адже титан щільніший за воду майже в чотири рази.
Розробка отримала назву «плавучий метаматеріал з відкритою комірчастою ґраткою з метал-полімеру». Надрукована 3D-принтером структура спирається на простий, але ефективний принцип: титановий каркас утримує замкнуту поліуретанову піну, яка забезпечує плавучість, тоді як метал надає міцності та корозійної стійкості.
Як працює плавучий матеріал з титану
Секрет успіху полягає у геніальній конструкції. Учені використали сплав Ti-6Al-4V, надрукувавши порожнисті титанові стрижні зі стінками завтовшки лише 0,2 мм та внутрішніми каналами діаметром 2,5–4 мм. Структури створювались методом лазерного спікання порошку, при якому лазер послідовно розплавляв шари титанового матеріалу, формуючи складну геометрію.
Через взаємопов’язані канали всередину стрижнів впорскували поліуретанову піну, яка розширювалась і заповнювала порожнини. При цьому велики проміжки між балками залишалися відкритими, що ключово для гідродинаміки конструкції.
Піна утворює герметичні мікроскопічні комірки розміром 10–200 мкм, які затримують газ і не пропускають воду. Результат — каркас із крихітних заповнених піною титанових трубок, де метал забезпечує міцність, а піна — плавучість.
Випробування підтвердили надійність
Під час перших тестів дослідники занурили зразки у прісну воду на понад два місяці. Звичайні титанові ґратки (без піни) швидко тонули, заповнившись водою. Заповнені піною зразки поводились передбачувано — спливали, якщо щільність каркаса була менша за щільність води, і тонули у протилежному випадку.
Найвражаючіші результати з’явилися при руйнуванні. Навіть після того, як дослідники стискали зразки до перевищення граничної міцності на стиснення, структури продовжували плавати. Вони залишались на поверхні навіть після утворення тріщин, разрушення окремих вузлів і пошкодження цілих шарів ґратки. Опір перестав працювати лише тоді, коли конструкція була майже повністю розчавлена й ущільнена.
Далі титановий метаматеріал протестували у морській воді з затоки Порт-Філліп у Мельбурні протягом двох тижнів. Матеріал утримав плавучість, втратив менше 0,15% маси та менш як 1% міцності — результат, що говорить про видатну корозійну стійкість.
Практичне застосування вже близько
- Морські буї й плавучі платформи для датчиків
- Елементи морської інфраструктури, здатні витримувати удари хвиль
- Структури для поглинання енергії та гасіння вібрацій
- Системи для керування тепловими процесами
Науковці вже створили прототип морського буя висотою 100 мм та шириною 85 мм. Він успішно плавав у природній морській воді, а багаторазові коливання потоку повертали його навіть під кутом до 45°. Дослідники тепер планують масштабувати технологію для більших конструкцій та довести її довговічність у реальних умовах експлуатації.
Крім того, титановий матеріал відкриває можливості для варіацій. Заміна поліуретану на інші наповнювачі дозволить адаптувати ту ж базову архітектуру для різних задач — від теплорегуляції до поглинанняударних навантажень.
Результати дослідження опубліковані в журналі Advanced Materials.
