Что прочнее кость или сталь
Обновлено: 17.05.2024
Все мы – плоды эволюции. Природа миллионы лет экспериментировала, прежде чем сделать нас такими, какие мы сейчас есть. Если бы перед инженером-механиком поставили задачу сконструировать кость человека, то он бы наверняка сразу же спросил, для чего она нужна, т.к. форма, размеры и внутренняя структура кости должны определяться её функцией в скелете. Как же работают наши кости? Как и любые строительные элементы, кости нашего скелета работают в основном на сжатие, растяжение или изгиб. Эти режимы работы предъявляют к костям как элементам скелета далеко не одинаковые требования.
Каждому ясно, что спичку или соломинку довольно трудно разорвать, растягивая их вдоль оси, и очень легко сломать, изогнув. В инженерных конструкциях, как и в скелетах животных, желательно сочетание прочности с лёгкостью. Как добиться максимальной прочности конструкции при заданной массе и известной прочности материала? Эта задача довольно проста, если элемент конструкции должен работать либо на продольное растяжение, либо только на сжатие. Пусть, например, надо подвесить некоторый груз на тросе определённой длины. Прочность троса будет равна прочности его самого тонкого участка, поэтому вес троса будет наименьшим, если площадь его сечения по всей длине одинакова.
Почему кость внутри полая? Если элемент конструкции работает также на изгиб, например, когда мы удерживаем груз рукой, согнутой в локте, то задача поиска максимальной прочности при заданной массе становится более сложной.
Локтевая кость работает на изгиб, а плечевая – на растяжение, когда мы удерживаем груз согнутой в локте рукой
Очевидно, что нижние слои локтевой кости сжимаются, а верхние растягиваются. При этом длина срединных слоёв не изменяется при изгибе локтевой кости, и поэтому материал, находящийся в этих слоях, не работает (т.е. не деформируется), а лишь утяжеляет кость. Значит, часть материала вдоль оси кости можно удалить без большого ущерба для её прочности, если кость работает в таких условиях. Таким образом, оптимальной будет кость с частично отсутствующей «сердцевиной», т.к. цилиндрический слой около оси кости не претерпевает существенных деформаций при изгибе и только увеличивает её массу.
Схематическое изображение локтевой кости (горизонтальный брус) в ненагруженном состоянии (вверху) и при деформации, вызванной действием силы F, приложенной к его свободному концу (внизу). Пунктир обозначает положение недеформируемого слоя
Естественно, что и природа в процессе эволюции использовала такой способ уменьшения массы человека и животных при сохранении прочности их скелета. Наиболее отчётливо это проявилось у птиц, которые больше других животных заинтересованы в уменьшении своей массы. Например, у фрегата, птицы, имеющей размах крыльев около 2 м, масса скелета всего 110 г. Однако и у бескрылых животных кости внутри тоже полые. Измерения показывают, например, что для самой крупной трубчатой кости скелета, бедренной, отношение внутреннего диаметра поперечного сечения к внешнему у человека и других млекопитающих составляет 0,5–0,6, что даёт возможность приблизительно на 25% уменьшить массу скелета при сохранении той же прочности.
Почему кость прочнее гранита? Прежде чем хвалить природу за её осведомлённость в вопросах сопротивления материалов, посмотрим, достаточно ли прочны наши кости. В таблице приведены значения критических напряжений (отношение приложенной силы к площади поперечного сечения образца), при которых нарушается целостность различных материалов при испытаниях на сжатие и растяжение, а также их модули Юнга.
Как это ни удивительно, но кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее ставших образцами прочности гранита и бетона. Чем же это объясняется?
Кость – композитный материал и состоит из двух совершенно различных компонентов: эластичного коллагена (из него в основном состоят все наши сухожилия) и кристаллов гидроксиапатита кальция Ca10(PO4)6(OH)2 – 60% по массе.
Известным примером композитного материала служит стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянных волокон и смолы. Причиной высокой прочности кости является сочетание эластичности и твёрдости. Многие обычные (не композитные) материалы, обладая большой твёрдостью, очень хрупки. Каждый видел, как разбивается стекло. От места, где по стеклу ударили, разбегаются трещины, которые и раскалывают лист. Если трещины не успевают образоваться, как это происходит при ударе пули, то лист стекла остаётся целым, за исключением области, куда пришёлся удар.
Таким образом, прочность многих материалов была бы гораздо выше, если бы их структура препятствовала распространению трещин. Наличие в кости сетки из коллагена, обладающего высокой эластичностью, служит преградой для распространения в ней трещин. В то же время твёрдость кости обеспечивается кристаллами гидроксиапатита кальция, отложившимися на поверхности коллагеновых нитей. На композитную природу кости указывает низкое значение её модуля Юнга по сравнению с однородными материалами, обладающими такой же прочностью.
Какой же запас прочности у наших костей? Средняя часть плечевой кости человека имеет площадь поперечного сечения около 3,3 см 2 . Используя данные, приведённые в таблице, легко показать, что максимальный вес груза, который может удерживать эта кость, находясь в вертикальном положении и работая на сжатие, близок к 60 000 Н. В то же время максимальная сила, которую может выдержать та же кость, если она работает на изгиб, а сила приложена к свободному концу кости перпендикулярно оси, близка к 5500 Н.
Механика карате
Прекрасной иллюстрацией прочности костей человека может служить популярный сейчас вид спортивных упражнений – карате. Тем, кто видит впервые каратиста, разбивающего крепкие бруски дерева или бетона, часто кажется, что это мистификация. Однако даже новичок после недолгой тренировки сможет легко разбить голой рукой брусок дерева, а потом и целую стопку.
Как может голая рука разбивать такие прочные предметы, как дубовые или бетонные бруски, не ломаясь сама? Сначала попробуем оценить необходимую для этого энергию Wр. Используя закон Гука для деформации бруска и формулу для потенциальной энергии, запасённой в сжатой пружине, можно получить выражение для Wр:
где V – объём бруска, Т – максимальное напряжение, которое выдерживает материал бруска, Е – модуль Юнга. Формула подтверждает интуитивные соображения, что, брусок тем труднее разорвать, чем он больше и чем эластичнее материал бруска, т.к. большая энергия тратится на его растяжение.
Как правило, в своих показательных выступлениях каратисты используют бетонные кирпичи размером 0,4 0,05 м. Принимая во внимание данные из таблицы и приведённую выше формулу, можно получить, что для таких брусков WpТо, что рука каратиста не ломается при ударе о брусок, частично объясняется гораздо большей прочностью кости по сравнению с бетоном. Высокоскоростная киносъёмка кулака каратиста в момент удара показала, что его замедление при соприкосновении с бруском составляет примерно 4000 м/с 2 . Поэтому сила, действующая со стороны бруска на кулак массой 0,7 кг, составляет 2800 Н.
Если весь кулак в момент удара заменить костью длиной 6 см и диаметром 2 см, фиксированной в двух крайних точках, а удар о брусок моделировать силой, действующей на её середину, то в таких условиях кость может выдержать 25 000 Н. Это приблизительно в 8 раз больше, чем сила, действующая на кулак каратиста при разламывании бетонных брусков.
Однако возможности руки каратиста противостоять таким ударам ещё больше, т.к. в отличие от бетонного бруска она не поддерживается по краям и удар не приходится точно в середину. Кроме того, между костью и бруском бетона всегда находится эластичная ткань, амортизирующая удар. Итак, ссылаться на хрупкость наших костей, оправдывая свою нерешительность, мы не вправе. Они не подведут.
А сухожилия зачем?
Многие из тех движений, которые мы совершаем, бывают периодическими. К ним относятся ходьба, бег, катание на лыжах, коньках, приседания и т.д. Во время этих движений различные части тела движутся неравномерно. Например, при беге или ходьбе каждая нога попеременно уменьшает свою скорость до нуля, соприкасаясь с землёй и тормозя при этом перемещение тела. В последующем та же нога, отталкиваясь от земли, ускоряет это перемещение. Чтобы заставить автомобиль двигаться подобным образом, нам нужно было бы с частотой около 1 Гц нажимать то на педаль газа, то на тормоз. Естественно, что расход горючего при таком импульсном характере движения резко возрастает, т.к. часть кинетической энергии автомобиля при торможении переходит в тепло. Неужели бег человека и животных так же неэкономичен, как движение этого гипотетического автомобиля?
Конечно, нет. Исследования учёных показали, что при беге часть кинетической энергии в фазе торможения хранится в сухожилиях ног в виде потенциальной энергии их деформации, которая переходит опять в кинетическую подобно тому, как это происходит при отскакивании резинового мяча от стены. Таким образом, сухожилия являются запасниками механической энергии во время бега и других циклических движений.
Свойства сухожилий более или менее одинаковы у всех животных, однако конечности копытных, например овец и лошадей, наиболее приспособлены для хранения механической энергии. Некоторые мышцы в нижних частях ног этих животных состоят практически из одних сухожилий. Самым выразительным примером такого использования сухожилий могут служить нижние части конечностей верблюда, почти лишённые мышечных волокон. В ноге человека самым мощным является ахиллово сухожилие, на которое при беге может действовать растягивающая сила до 4000 Н.
Каждый может сам легко убедиться, что механическая энергия действительно запасается в наших ногах, как в пружинах. Для этого попробуйте приседать, сильно сгибая колени. Вы сразу заметите, что подниматься гораздо легче, если выпрямлять ноги сразу, а не задерживаться в положении с согнутыми ногами. Это можно объяснить тем, что при сгибании колен сухожилия сначала растягиваются, и если, не давая им укоротиться, начать разгибать колени, то запасённая в сухожилиях потенциальная энергия перейдёт в кинетическую. Если же позволить им укоротиться ещё до подъёма, то эта энергия перейдёт в тепло.
Я в одном видео узнал, что кость прочнее стали. Это правда?
Внутренне строение кости являет просто таки чудо инженерии мысли, поражая своей легкостью и неверотяной прочностью. Оказывается, многие инженерные конструкции архитекторы почерпнули из строения кости человека. Архитектурные сооружения, построенные по принципу костой ткани человека, чрезвычайно прочны, долговечны и значительно дешевле при строительстве.
Все вы знаем, что сталь считается самым прочным и надежным материалом, потому что сталь с одной стороны прочная, а с другой стороны еще и гибкая. Давайте теперь сравним строение стали и наших костей.
Оказывается, наши кости во много раз прочнее стали, и в 10 раз эластичнее, да к тому еще и легче, чем сталь. Скелет человека из кости в 3 раза легче, чем такой же скелет, выполенный из стали.
Легкость и прочность костей жизненно важны для человека. Ведь если бы кости обладали только одним из этих свойств – например, прочностью, но при этом были бы тяжелее, чем сейчас, то скелет был бы настолько тяжелым, что человеку было бы трудно совершить любое движение, а ходить он вообще не смог бы, потому что невозможно было бы переносить такое тяжелое тело.
Жизнь стала бы сплошной мукой, мы очень ограничились бы в своих движениях. Каждый шаг отнимал бы массу сил и энергии. Кроме того, кости стали бы чаще ломаться и при каждом шаге слышался бы хруст, а при прыжках и вовсе бы трескались.
Или же наоборот, если бы кости были только легкими, но не прочными, тогда наше тело не было бы таким крепким и гибким, мы бы превратились в дряблую массу костей.
В таком случае такие жизненноважные органы как мозг или сердце каждую минуту находились бы в опасности. Но ничего этого не произойдет, ведь наш скелет и кости прочны и легки в самых идеальных величинах.
Кости в зависимости от того, в какой части тела они расположены, имеют разные особенности. Все кости гибкие и прочные. Но степень этих двух свойств меняется в зависимости от того, в каком месте расположена кость. Например, грудная клетка, обладает особой гибкостью, ведь защищая жизненно важные органы - сердце и легкие, она расширяется при вдохе и сокращается при выдохе, внося свою лепту в процесс дыхания.
Гибкость костей в определенные периоды жизни может меняться. Например, тазовые кости у женщин размягчаются и расходятся друг от друга ближе к концу беременности. Это чрезвычайно важно, потому что благодаря этому голова младенца избегает механической травмы и сдавливания во время родов, которые могли бы привести к гибели ребенка.
Кости черепа наоборот более прочные и значительно менее гибкие. Ибо они оберегают внутри себя самый главный комвндный центр организма – мозг.
Удивительная продуманность свойств костей в каждом участке тела – великое благо для человека, именно благодаря свойствам костей мы можем легко и непринужденно совершать всевозможные двиджения, не испытывая ни боли, ни тяжести. Это ли не милость Создателя к нам, ведь Он мощен сотворить нас и в другом виде.
Ужель не размышляет человек, что Мы сотворили его, когда он был ничем?
Ещё бы мясо и кожа бы просто продавились под тяжестью, хотя даже под костями пролежни бывают у лежачих, да и с таким весом удар об твёрдый предмет сдирал бы тело в мясо просто, а не чуть кожу повреждал
Человеческие кости прочнее стали и другие удивительные факты о человеческом теле
Наше тело — невероятно сложная система. Но человек редко задумывается о том, насколько удивительным и необычным является его собственный организм и сколько процессов в нем происходит каждую секунду. Вот 10 малоизвестных фактов о нашем теле, которые заставят по-другому смотреть на себя в зеркало.
Человеческое тело невероятно пропорционально
Посмотрите на фото выше — вы наверняка уже не раз видели этот знаменитый эскиз Леонардо да Винчи. Кстати, рисунок — один из самых первых и одновременно самых точных исследований по антропометрии. Именно таким образом люди изучали пропорции и особенности человеческого тела.
Знали ли вы, что длина стопы равна длине предплечья? Что расстояние между кистями разведенных в стороны рук равно сумме длины обеих ног? А как насчет того, что длина ладони равна длине лица (от подбородка до линии роста волос)?
Антропометрия — не просто какая-то забава. Современные антропологи широко используют подобные данные для того, чтобы определять формы и размеры тела человека, исследуя ту или иную кость.
С утра мы ростом выше
Энергии, вырабатываемой телом, достаточно для того, чтобы вскипятить воду
Человеческое тело за полчаса способно выработать достаточно тепла для того, чтобы вскипятить 1,5 л воды. Неплохо, да? Разумеется, организм оснащен системами, которые регулируют теплообмен и предупреждают перегревание.
Более того, в состоянии покоя тело вырабатывает фактические около 100 Вт электрической энергии. А вот организм спринтера во время забега способен выдать все 2000 Вт. Да, мы не зажигаем лампочки, но вполне могли бы.
Человеческие кости прочнее стали
Волосы не менее прочные, чем веревка
Помните историю о Рапунцель с невероятно длинными волосами, по которым принц забрался на вершину башни, чтобы спасти красавицу? Нет, это не сказка, а вполне правдоподобная история: веревка из волос способна выдержать вес не одного, а нескольких мужчин.
Человеческое сердце действительно реагирует на музыку
Говорят, что музыку нужно чувствовать сердцем. И это не просто красивый оборот речи — это факт. Человеческое сердце действительно способно реагировать на ту или иную мелодию, менять ритм сокращений. Например, композиции Моцарта замедляют сердцебиение, а рок или диско, наоборот, ускоряют. Кстати, ваш миокард наиболее восприимчив к той музыке, которая вам нравится.
Вы можете воспринимать намного больше цветов и ароматов, чем думаете
Думаете, что можете различать пару десятков, максимум пару сотен оттенков? А вот и нет. Ученые доказали, что человеческих глаз (и мозг, соответственно) может различать около десяти тысяч различных оттенков — мы просто не понимаем, насколько много можем видеть на самом деле. Кстати, на эти чудеса способен глаз, который оснащен всего лишь тремя типами рецепторов.
А вот обонятельных рецепторов у человека намного больше — около 400. И если раньше считалось, что люди могут различать до десяти тысяч различных ароматов, то сейчас ученые называют цифру побольше — около одного триллиона! Вот это суперспособность.
Вы видите не глазами, а мозгом
Да, органами зрения являются глаза, но они лишь собирают информацию, после чего преобразуют в электрические импульсы и отправляют в определенные зоны коры головного мозга по зрительному нерву. Уже в центральной нервной системе информация анализируется и превращается в картинку. На самом деле вы смотрите на мир отнюдь не глазами. И да, если зрительные центры мозга повреждены, то слепота наступает даже в том случае, если глаза здоровы и способны прекрасно выполнять свои функции.
В вашей ротовой полости обитают миллиарды бактерий
Ваша ротовая полость — настоящее общежитие. Ученые говорят, что во рту человека обитает столько бактерий, сколько людей живет на планете. Более того, микроорганизмы группируются и даже создают сообщества. Например, под языком обитают совсем другие бактерии, чем на слизистых оболочках неба и щек.
Всего за 10 секунд поцелуя от одного человека к другому передается около 80 миллионов бактерий. Такой вот обмен жильцами. Кстати, сильно беспокоиться по этому поводу не стоит, ведь мать-природа все продумала: слюна, которой омывается ротовая полость, содержит в себе вещества, обладающие антисептическими и антибактериальными свойствами, они быстро расправляются с большей частью бактериальных штаммов.
Возраст некоторых веществ, присутствующих в нашем организме, такой же, как и у Солнечной системы
«Космос внутри нас, мы сделаны из звездной пыли, мы это способ, посредством которого Космос познает себя» — это цитата известного американского астронома и астрофизика Карла Сагана. Да, это утверждение звучит, словно фраза из фильма фантастики, но все же имеет смысл. Кальций в наших зубах, железо, присутствующее в крови, — все это образовалось примерно тогда же, когда и Солнце, и вся Солнечная система. Прошло много миллионов лет постоянного развития прежде, чем на планете появился человек.
Проектирование новых имплантатов: крепче ли кость стали?
Можно с уверенностью утверждать, что природа старейший и лучший в мире инженер. На протяжении тысячелетий она совершенствовала и оптимизировала структуру костей так, чтобы они становились легче и крепче. В результате люди стали учиться на примерах природы, и это направление даже получило название - биомимикрия.
Однако, некоторым может показаться неубедительным утверждение, что человеческие кости во многом превосходят материалы, которые используются для создания различных изделий.
Вы можете спросить, сильнее ли кость стали? Крепче ли кость бетона? В зависимости от того, о чем конкретно идет речь.
Например, эффективный модуль упругости кортикальной кости варьируется в диапазоне от 14 до 28 ГПа, что примерно соответствует модулю упругости бетона 8 – 36 ГПа, но прочность кости варьируется в диапазоне 100 – 200 МПа, что в разы превышает прочность на сжатие бетона 5 – 40 МПа.
Если рассмотреть нержавеющую сталь, то ее прочность на сжатие аналогична эффективному пределу прочности на сжатие кости, но при этом за счёт своей пористой структуры кость в три раза легче.
Основной особенностью кости является то, что её структура непостоянна, потому что она является частью живого организма. Кости адаптируются к образу жизни человека, становясь прочнее или ослабевая в зависимости от окружающей среды, возраста и здоровья. В НАСА установили, что кости астронавтов ослабевали в результате длительного пребывания астронавтов в условиях микрогравитации.
Так что же происходит, когда человеку приходится вмешаться в работу кости? Когда мы пытаемся заменить её работу, гений природы становится еще более очевидным.
Почему костный материал такой крепкий?
Несмотря на то, что импланты необходимы многим людям, их эффективность на большом промежутке времени не сопоставима со средней долговечностью кости. Например, срок службы коленного сустава может составлять от 60 до 80 лет. А вот имплантат коленного сустава в лучшем случае прослужит четверть от этого времени, поскольку имплантат, в отличие от кости, не обладает способностью к регенерации.
Инженеры должны проектировать имплантаты таким образом, чтобы они выдерживали большие нагрузки. В процессе ежедневной активности, например ходьбы или прыжков, скелет человека подвергается нагрузкам, превышающим вес тела в 4 – 20 раз. Это могут быть сжимающие, растягивающие, изгибные или крутящие нагрузки.
Как кость выдерживает эти нагрузки? За счет своей композитной микроструктуры. Кость состоит из коллагеновых волокон, жестко закрепленных плотным наполнителем и окружающими минералами. Также в костях присутствуют кровеносные сосуды, живые клетки, белки и вода.
Аналогичным образом искусственно созданные композиты приобрели свою значимость в проектировании и изготовлении конструкций. Однако, инженерам очень сложно повторить способность кости адаптироваться и менять свою структуру в зависимости от разных условий. Они используют и подбор материала из существующих, и разработку новых, совершенствуя имплантат до тех пор, пока он не будет соответствовать ожиданиям и требованиям.
Инженеры продолжают поиск заменителя костной ткани
Поскольку инженеры не в состоянии воспроизвести весь функционал кости, каждое медицинское изделие проектируется под конкретный случай использования.
Например, если пациент нуждается в трансплантации костной ткани, то инженеры сосредотачиваются на соответствии химии и микроструктуре исходной костной ткани пациента.
В данном случае хорошим вариантом будет использование фосфата кальция, так как он стимулирует рост костей, способствует заживлению и приживаемости привитого материала.
Имплантация суставов имеет свои сложности. Перед инженерами стоит задача найти такой материал, свойства которого будут соответствовать свойствам окружающей кости. Эти свойства материала будут варьироваться в зависимости от возраста, пола, веса, образа жизни пациента и других факторов. Инженерам также необходимо будет обеспечить, чтобы материал обладал необходимыми антикоррозионными и биосовместимыми свойствами.
В настоящее время большую популярность в процессе поиска и создания оптимальных материалов для изготовления имплантатов набирают аддитивные технологии, которые позволяют создавать материалы с градиентной плотностью. Подобные материалы представляют собой множество ячеистых структур, имеющих различные параметры и топологию, используя которые можно создавать конструкции с заданными механическими характеристиками. Периодическая структура таких материалов подходит для изготовления эндопротезов, а пористая структура, в свою очередь, обеспечивает врастание костной ткани в эндопротез. Примером применения аддитивных технологий в проектировании эндопротеза является работа инженеров АО «ЦИФРА» в составе научной группы специалистов ИММиТ СПБПУ.
Также подобрать материал, подходящий пациенту и его состоянию здоровья позволяет использование специального инструмента для выбора материала. Используя специальное ПО, инженеры могут помочь в разработке новых материалов, характеристики которых будут превосходить характеристики тех материалов, которые представлены на рынке в настоящее время. Узнать об этом подробнее можно на сайте разработчика специализированного ПО ANSYS Granta: Material Intelligence with Ansys Granta.
Искусственная кость легче воды и прочнее стали
Ученые создали материал, похожий на кость, но более легкий, чем вода и более прочный, чем сталь. Технология наносборки позволила разработать материал, не имеющий аналогов в природе по своим характеристикам.
Команда Йенса Бауэра из Технологического института Карлсруэ разработала необычный материал: менее плотный, чем вода, но по прочности сравнимый с некоторыми марками стали. До сих пор возможность изготовления таких материалов подвергалась сомнению, но ученые доказали, что современные технологию уже позволяют работать на наноуровне с достаточной точностью. Таким образом, открывается дорога для разработки и производства материалов с уникальными свойствами.
Новый материал легче воды, но по прочности сравним со сталью. В ближайшем будущем подобные материалы сделают нашу жизнь безопаснее и легче, причем в прямом смысле этого слова
Научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов – это доказывает человеческая история со времен каменного века, до нынешней эпохи композитов.
Человечество добилось большого прогресса в создании материалов, которые в природе не встречаются, однако до сих пор не удалось преодолеть ключевую дилемму: любой материал является компромиссом между прочностью и гибкостью. Проще говоря, чем прочнее материал, тем он более хрупкий, а чем гибче – тем меньше нагрузки может выдержать.
Все известные материалы могут быть представлены в одном графике, где каждое деление означает увеличение прочности (ось y) и плотности (ось x) материала в 10 раз
Линия в середине на 1000 кг/м 3 является плотностью воды, соответственно все материалы слева легче воды, а те, что справа - тяжелее. Получается, что твердый материал не может быть легче воды, если он не является пористым. Пористые материалы, такие как дерево и кости, обладают сложной структурой и могут удачно сочетать прочность, гибкость и малый вес.
На протяжении многих лет ученые искали гипотетические материалы, которые могли бы заполнить пустые участки на графике плотности. К счастью, современное компьютерное моделирование может подсказать, какая микроструктура материала может обеспечить требуемые характеристики. К тому же, у ученых впервые появились инструменты, с помощью которых можно работать над созданием микроструктур в масштабе толщины человеческого волоса.
Йенс Бауэр и его коллеги попытались создать похожий на кость сверхпрочный материал с помощью новейшей немецкой технологии Nanoscribe, которая использует сочетание лазерной фотолитографии и 3D-печати.
В лаборатории процесс изготовления нового материала происходит следующим образом: каплю фоточувствительного полимера помещают на предметное стекло и включают лазер. Система автоматизированного проектирования с высочайшей точностью наводит лазерный луч на конкретные участки, которые должны стать твердыми. После завершения обработки, неотвердевший полимер вымывают, оставляя твердый каркас со сложными внутренними структурами, спроектированными компьютером.
Однако на этом процесс не заканчивается, так как получившаяся полимерная пористая «кость» недостаточно прочна. Для ее упрочнения на полимер наносится сверхтонкий слой оксида алюминия толщиной 50 нанометров (миллиардная часть метра).
Получившийся материал легче воды, но при этом превосходит по прочности все природные и искусственные материалы, с плотностью меньше 1000 кг/м 3 . Так, он в состоянии выдерживать нагрузку 280 MПa, то есть сравним по прочности с некоторыми марками стали.
К сожалению, в ближайшие несколько лет мы не получим массу полезных вещей, сделанных из новейших материалов, спроектированных на компьютере и собранных на наноуровне. Проблема в том, что современные лабораторные методы позволяют создавать предметы из таких материалов размером всего в несколько миллиметров.
Тем не менее, быстрый прогресс в области 3D-печати, лазерной технике и создании новых полимеров позволяет надеяться, что через 10-15 лет на рынок выйдут новые уникальные материалы. Они найдут широкое применение повсеместно: от создания обуви и спортинвентаря, до самолетов и космической техники.
Читайте также: