Бетон будущего: как структура кости делает его неуязвимым

Американские биотехнологи из Принстонского университета разработали инновационный сверхпрочный материал на основе цемента, вдохновившись структурой человеческой кости. Их исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials (AdvMat), показало, что новый бетон обладает уникальной способностью сопротивляться растрескиванию и внезапному разрушению.

Это открытие может стать революционным для строительной индустрии, предоставляя новые возможности для создания более устойчивых и долговечных конструкций.

Главным источником вдохновения для ученых стала кортикальная оболочка бедренных костей. Эта часть человеческого скелета известна своей способностью выдерживать огромные нагрузки без переломов. Кортикальная кость состоит из плотной, твердой внешней оболочки, внутри которой находятся эллиптические трубчатые структуры, известные как остеоны.

Они встроены в органическую матрицу, и именно благодаря такой архитектуре кости остаются прочными и устойчивыми к трещинам. Трещины, которые все же возникают, быстро останавливаются и рассеиваются, не распространяясь дальше по структуре.

Исследователи решили применить эту природную архитектуру в бетоне. Они включили в цементную смесь цилиндрические и овальные трубки, которые имитируют остеоны. В результате получился материал, который взаимодействует с возникающими трещинами на микроуровне, предотвращая их распространение.

Когда в бетоне появляются трещины, трубчатые структуры работают как барьер, рассеивая энергию и останавливая их дальнейшее развитие. Такой подход позволяет бетону противостоять нагрузкам и повреждениям значительно лучше, чем традиционные материалы.

Одно из наиболее значимых открытий исследования заключается в том, что новый трубчатый бетон оказался в 5,6 раза прочнее обычного. Это удивительный результат, который открывает широкие перспективы для применения этого материала в строительстве. Ученые также отметили, что такая структура бетона не требует дополнительного армирования.

Обычно для усиления бетона применяют металлические или композитные материалы, что увеличивает стоимость и сложность строительства. Однако трубчатый бетон сам по себе обеспечивает укрепляющий эффект благодаря своей уникальной внутренней структуре.

Экономические и экологические выгоды от использования этого бетона также значительны. Отказ от дополнительного армирования означает снижение затрат на материалы и упрощение строительного процесса. Кроме того, использование природных принципов в инженерии может привести к созданию более устойчивых и экологичных строительных материалов.

Новый бетон может применяться в строительстве объектов, требующих повышенной надежности и долговечности, таких как мосты, высотные здания и другие инфраструктурные проекты.

Интересен и тот факт, что эта разработка — часть более широкого тренда в науке и технике, известного как биомиметика. Это направление изучает природные структуры и процессы с целью создания инновационных материалов и технологий. Природа на протяжении миллионов лет оттачивала свои механизмы, и ученые все чаще обращаются к ней за вдохновением. В данном случае структура человеческой кости, которая выдерживает большие нагрузки, стала прототипом для создания нового типа бетона.

Это исследование не только подчеркивает важность изучения биологических структур, но и открывает новые перспективы для развития строительных материалов. Трубчатый бетон может стать фундаментом для новой эры в строительстве, где прочность, надежность и экологичность будут идти рука об руку. Возможность создания более долговечных конструкций имеет огромное значение для современного общества, особенно в условиях роста городов и увеличения нагрузки на инфраструктуру.

Ранее в этой области также были сделаны значительные шаги. Например, российские ученые нашли способ увеличить прочность легкого пористого бетона почти в два раза, что свидетельствует о глобальном интересе к совершенствованию строительных материалов. Однако разработка команды из Принстона предлагает новый, биологически вдохновленный подход, который обещает значительные улучшения.

Уточнения

Бето́н (от фр. béton) — искусственный каменный строительный материал, получаемый в результате формования и затвердевания рационально подобранной, тщательно перемешанной и уплотнённой смеси из минерального (чаще всего это портландцемент) органического вяжущего вещества, крупного или мелкого заполнителей, воды.