Одно из актуальных направлений современного материаловедения — создание структур с оптимальным отношением прочности к плотности. Чем легче и прочнее материал, тем больше возможностей для его применения. Одно из основных направлений таких исследований — получение макроскопических упорядоченных пористых структур на основе трех-периодических поверхностей, разбивающих пространство на две системы непересекающихся пор. Математическая задача построения таких поверхностей в общем виде пока не решена. Команда ученых Международного научно-исследовательского центра по теоретическому материаловедению (МНИЦТМ) Самарского политеха под руководством доктора химических наук, директора Владислава Блатова разработала метод построения фактически неограниченного числа таких поверхностей на основе топологического анализа атомных сеток природных кристаллов. На основе этих поверхностей было получено более 200 пористых структур, изучены их механические свойства и определены самые перспективные из них.

«Мы подсмотрели идеальные трех-периодические структуры у природы. Некоторые кристаллы, например цеолиты, обладают атомными сетками с явно выраженными порами. Топологический анализ этих сеток позволяет выделить из них трижды периодические, в том числе минимальные поверхности. Изготовляя саму поверхность конечной толщины из одного материала и заполняя непересекающиеся поры веществами с другими характеристиками, получаем композитные структуры с разнообразными функциональными свойствами. Кроме того, за счет разветвленной структуры они обладают большой площадью поверхности», — поясняет доктор физико-математических наук, заместитель директора МНИЦТМ по научной работе Александр Крутов.

«Компьютерное моделирование показало, что эти структуры обладают широким диапазоном значений упругости и выраженной анизотропией — их механические свойства существенно зависят от направления нагрузки, — делится результатами исследований кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник МНИЦТМ Михаил Смольков. — Это открывает широкие возможности для применения подобных структур в различных инженерных решениях. Наиболее перспективные модели были изготовлены из PLA-пластика методом аддитивного производства (3D-печати)».

Затем ученые провели серию экспериментов, один из них — совместно со специалистами кафедры «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» Самарского политеха. Пористую модель заполняли цементом и подвергали различным нагрузкам. Материал, армированный пластиком, продемонстрировал высокую прочность. В перспективе это может привести к существенному облегчению строительных конструкций с требуемыми механическими характеристиками.

«Эксперименты по изучению полученных пористых структур, а также результаты численного моделирования выявили интересный эффект: некоторые пористые структуры имеют прочность на сжатие выше, чем у сплошного материала, из которого они сделаны. Эффект упрочнения обусловлен исключительно их геометрией и топологическими свойствами», — отмечает кандидат технических наук, инженер МНИЦТМ Михаил Фролов.

Полученные в МНИЦТМ пористые материалы могут оказаться весьма перспективными также, например, в медицинской отрасли для костных имплантов. Связная пористая структура позволит кости и кровеносным сосудам прорасти через имплант и органически встроиться в тело.