Katastrofal kollaps av material och strukturer är den oundvikliga konsekvensen av en kedjereaktion av lokalt begränsade skador – från solid keramik som knäpper efter utvecklingen av en liten spricka till metallutrymmen fackverk som ger vika efter att ett enda stag har vridits.

I en studie publicerad denna vecka i Avancerade material , ingenjörer vid University of California, Irvine och Georgia Institute of Technology beskriver skapandet av en ny klass av mekaniska metamaterial som delokaliserar deformationer för att förhindra fel. De gjorde det genom att vända sig till spänst, en hundraårig designprincip där isolerade styva stänger är integrerade i ett flexibelt nät av tjuder för att producera mycket lättvikt, självspännande fackverkskonstruktioner.

Börjar med 950 nanometer-diameter medlemmar, teamet använde en sofistikerad direkt laserskrivteknik för att generera elementära celler i storleken mellan 10 och 20 mikron. Dessa byggdes upp till åtta enheter superceller som kunde sättas ihop med andra för att göra en kontinuerlig struktur. Forskarna genomförde sedan beräkningsmodellering och laboratorieexperiment och observerade att konstruktionerna uppvisade ett unikt homogent deformationsbeteende fritt från lokal överbelastning eller underanvändning.

Teamet visade att de nya metamaterialen har en 25-faldig förbättring av deformerbarhet och en ökning av energiabsorptionen i storleksordningar jämfört med toppmoderna gallerarrangemang.

"Tensegritetsstrukturer har studerats i decennier, särskilt i samband med arkitektonisk design, och de har nyligen hittats i ett antal biologiska system, " sa senior medförfattare Lorenzo Valdevit, en UCI-professor i materialvetenskap och ingenjörskonst som leder Architected Materials Group. "Rätta periodiska tensegrity gitter konceptualiserades teoretiskt bara för några år sedan av vår medförfattare Julian Rimoli på Georgia Tech, men genom detta projekt har vi uppnått den första fysiska implementeringen och prestandademonstrationen av dessa metamaterial."

Medan man utvecklade strukturella konfigurationer för planetlandare, Georgia Tech-teamet upptäckte att spänningsbaserade fordon kunde motstå allvarliga deformationer, eller buckling, av dess individuella komponenter utan att kollapsa, något som aldrig observerats i andra strukturer.

"Detta gav oss idén att skapa metamaterial som utnyttjar samma princip, som ledde oss till upptäckten av det första 3D-tensegrity-metamaterialet någonsin, " förklarade Rimoli, professor i flygteknik vid Georgia Tech.

Möjliggjort av nya additiv tillverkningsteknik, extremt lätta men ändå starka och stela konventionella strukturer baserade på fackverk och galler i mikrometerskala har varit av stort intresse för ingenjörer för deras potential att ersätta tyngre, fasta ämnen i flygplan, vindkraftsblad och en mängd andra applikationer. Även om den besitter många önskvärda egenskaper, dessa avancerade material kan – som vilken bärande struktur som helst – fortfarande vara känsliga för katastrofal förstörelse om de överbelastas.

"I välbekanta nanoarkitekter, fel börjar vanligtvis med en mycket lokal deformation, " sa första författaren Jens Bauer, en UCI-forskare inom maskin- och rymdteknik. "Skärband, ytsprickor, och buckling av väggar och stag i ett område kan orsaka en kedjereaktion som leder till kollaps av en hel struktur."

Han förklarade att fackverksgaller börjar kollapsa när kompressiva delar bucklas, eftersom de i spänning inte kan. Vanligtvis, dessa delar är sammankopplade vid gemensamma noder, vilket betyder att när man väl misslyckas, skador kan snabbt spridas över hela strukturen.

I kontrast, de komprimerande elementen i tensegrity-arkitekturer bildar slutna slingor, isolerade från varandra och endast förbundna med dragorgan. Därför, instabilitet hos kompressionselement kan bara fortplanta sig genom dragbelastningsbanor, som – förutsatt att de inte brister – inte kan uppleva instabilitet. Tryck ner på ett tensegrity-system och hela strukturen komprimeras jämnt, förhindra lokala skador som annars skulle orsaka katastrofala misslyckanden.

Enligt Valdevit, som också är professor i maskin- och rymdteknik vid UCI, tensegrity-metamaterial uppvisar en aldrig tidigare skådad kombination av brottmotstånd, extrem energiabsorption, deformerbarhet och styrka, överträffar alla andra typer av toppmoderna lättviktsarkitekturer.

"Denna studie ger viktig grund för design av överlägsna tekniska system, från återanvändbara slagskyddssystem till adaptiva bärande strukturer, " han sa.