Немецкие ученые подсмотрели у сосновых шишек механизм, позволяющий подвижным элементам конструкций (например, на крышах или окнах зданий) автоматически закрываться при повышении влажности без внешних источников энергии, говорится в статье, опубликованной в Advanced Materials.

C. Zollfrank/ TUM

 

Листья и цветы большинства растения очень чувствительны к изменению внешних условий. Утром при увеличении освещенности листья и цветки раскрываются и поворачиваются к источнику света. Некоторые хищные растения схлопывают свои листья при прикосновении. Во время дождя шишки хвойных деревьев закрываются, вновь раскрываясь при уменьшении влажности. Многие из этих механизмов люди пытаются воспроизвести искусственно в различных материалов и конструкциях. Но обычно все такие устройства имеют очень небольшие размеры: или такие, же как в биологических прообразах, или даже еще меньше.

Группа немецких ботаников, архитекторов и инженеров под руководством Симона Поппинги (Simon Poppinga) из Фрайбургского университета разработала теоретическую базу для создания подвижной конструкции для архитектурных целей, которая функционально повторят механизм закрывания шишек, но имеет размеры примерно в 10 — 20 раз больше. В качестве материала, чувствительного к влажности, авторы работы предлагают использовать органические гидрогели, которые могут увеличивать свой объем при повышении влажности на 30–50 процентов.

Схема работы предложенных элементов при увеличении влажности
S. Poppinga et al./ Advanced Materials, 2017

 

Такой гидрогель исследователи предлагают наносить на поверхность гибкого элемента из резины. В результате при повышении влажности будет расширяться только один из двух слоев, что приведет к искривлению всей структуры и ее «сворачиванию». Из таких двухслойных структур можно собирать сложные системы, состоящие из огромного числа замкнутых ячеек микронного или миллиметрового размера с небольшими разделителями между ними. В результате при изменении влажности происходит анизотропное сжатие, и вся система приходит в движение.

Возможность использования такого подхода определяется скоростью реакции материала на изменение внешних условий. Оказалось, что эта скорость довольно большая, и один элемент размером от 5 микрон до нескольких миллиметров может полностью поменяет свою конфигурацию за время от 0,5 до 50 секунд.

Достоинством предложенных материалов является то, что они реагируют непосредственно на изменение внешних условий: температуры, влажности, освещенности или химического состава. Поэтому в качестве одного из возможных применений авторы работы предлагают использовать такие механизмы на крышах стадионов: состоящие из большого количества отдельных элементов, такие крыши будут автоматически закрываться, если, например, начнется дождь или солнце будет светить слишком ярко.

Крыша стадиона , собранная из закрывающихся злементов, во время сильного дождя S. Poppinga et al./ Advanced Materials, 2017

 

Крыша стадиона , собранная из закрывающихся злементов, при переменной облачности S. Poppinga et al./ Advanced Materials, 2017

 

Крыша стадиона , собранная из закрывающихся злементов, при ярком солнце Poppinga et al./ Advanced Materials, 2017

 

По предположению ученых, разработанные ими механизмы позволят значительно сократить потребление энергии.

Состав и структура природных объектов не только служит источником идей для сложных механизмов, но и в некоторых случаях помогает улучшить свойства материалов, которые используются для строительства. Например, структура морского ежа помогает бетону значительно увеличивать свои прочностные характеристики. А воспроизведя химический состав биссуса мидий, ученые смогли разработать сверхпрочные растягиваемые нити.

Александр Дубов, №+1

 


Recommend to friends
  • gplus
  • pinterest

Дадаць каментар

E-mail is already registered on the site. Please use the увайсці форма or увядзіце іншы.

You entered an incorrect username or password

На жаль, вы павінны ўвайсці ў сістэму.