گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه نورث‌ایسترن (Northeastern University) با بهره‌گیری از اصول علم شبکه و الهام از ساختارهای طبیعی، رویکرد تازه‌ای برای طراحی فرامواد ارائه کرده‌اند؛ رویکردی که می‌تواند محدودیت‌های موجود در طراحی مواد مهندسی‌شده را برطرف کند و زمینه تولید موادی با قابلیت‌های مکانیکی قابل تنظیم را فراهم آورد.
فرامواد، دسته‌ای از مواد مهندسی‌شده هستند که ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها نه صرفاً از ترکیب شیمیایی، بلکه از آرایش و هندسه ساختارهای داخلی‌شان ناشی می‌شود. در روش‌های متداول طراحی این مواد، پژوهشگران ابتدا یک واحد ساختاری کوچک موسوم به «سلول واحد» طراحی می‌کنند و سپس آن را در الگویی منظم و تکرارشونده در سراسر ماده گسترش می‌دهند. این نظم هندسی می‌تواند خواص مکانیکی مطلوبی ایجاد کند، اما در مقابل، محدودیت‌هایی نیز به همراه دارد؛ از جمله اینکه ایجاد ترک یا تغییر شکل در یک بخش ممکن است به‌سرعت به نواحی مجاور منتقل شود و در نهایت به شکست گسترده ساختار بینجامد.
پژوهشگران در مطالعه جدید خود که در نشریه معتبر نیچر (Nature) با عنوان «فرامواد مبتنی بر شبکه‌های چندمقیاسی» (Scale-rich network-based metamaterials) منتشر شده است، نشان داده‌اند که فاصله‌گرفتن از الگوهای منظم و تکراری و استفاده از ساختارهای شبکه‌ای با اندازه‌های متنوع می‌تواند عملکرد مکانیکی فرامواد را به شکل چشمگیری بهبود دهد.
ایده اصلی این پژوهش از مشاهده شبکه‌های پیچیده در طبیعت و سامانه‌های پیرامونی الهام گرفته شده است. شبکه رگبرگ‌های برگ، آرایش رگ‌های موجود در بال سنجاقک و حتی ارتباطات میان افراد در شبکه‌های اجتماعی، نمونه‌هایی از ساختارهایی هستند که اجزای آن‌ها در اندازه‌ها و مقیاس‌های متفاوت به یکدیگر متصل شده‌اند. پژوهشگران با الگوبرداری از این الگوها، ساختارهایی طراحی کرده‌اند که به‌جای تکیه بر تکرار یک واحد هندسی ثابت، از مجموعه‌ای از تیرک‌های باریک و به‌هم‌پیوسته با طول و ضخامت متفاوت تشکیل شده‌اند. این شبکه‌ها در مقیاس‌های مختلف گسترش می‌یابند و در مجموع، ساختاری متراکم و درهم‌تنیده ایجاد می‌کنند.
طراحی شبکه‌های نامنظم با کمک الگوریتم
برای طراحی این فرامواد، پژوهشگران الگوریتمی توسعه دادند که می‌تواند با درنظرگرفتن محدودیت‌های فیزیکی مواد، شبکه‌ای از تیرک‌های متصل به یکدیگر ایجاد کند. این الگوریتم ابتدا نقاطی را به‌صورت تصادفی در محدوده هندسی ماده انتخاب می‌کند و سپس خطوطی را با زاویه‌های تصادفی از میان این نقاط عبور می‌دهد. این خطوط تا رسیدن به مرز محدوده یا برخورد با خطوط قبلی ادامه پیدا می‌کنند. با تکرار این فرآیند، خطوط جدیدی با طول و ضخامت کمتر به ساختار افزوده می‌شوند تا در نهایت شبکه‌ای متراکم از اجزای متصل به یکدیگر شکل بگیرد.
در این روش، دو عامل اصلی یعنی ضخامت خطوط اولیه و سرعت کاهش ضخامت خطوط در مراحل بعدی، امکان کنترل ویژگی‌های ساختاری شبکه را فراهم می‌کنند. پژوهشگران با تغییر این پارامترها توانستند الگوهای متنوعی تولید کنند و از طریق شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، تأثیر هر یک از این تغییرات را بر سختی و سایر ویژگی‌های فیزیکی ماده بررسی کنند.
نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که حتی با تغییر دو پارامتر یادشده می‌توان دامنه گسترده‌ای از ویژگی‌های مکانیکی را در ماده ایجاد کرد. به این ترتیب، طراحان قادر خواهند بود ساختار داخلی فرامواد را متناسب با نیازهای کاربردی تنظیم کنند؛ برای مثال، ماده‌ای با سختی بیشتر یا ساختاری با قابلیت جذب انرژی بالاتر طراحی کنند.
چاپ سه‌بعدی و ارزیابی عملکرد مواد جدید
پس از طراحی و شبیه‌سازی ساختارهای شبکه‌ای، پژوهشگران نمونه‌های واقعی این مواد را با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی ساختند. در این فرآیند، پلیمر به‌صورت لایه‌به‌لایه و در قالب الگوهای متشکل از تیرک‌های کوچک و به‌هم‌پیوسته قرار گرفت. نمونه‌های تولیدشده به شکل قطعات مربعی با ابعادی تقریباً برابر با یک کارت اعتباری بودند و ساختار داخلی آن‌ها اجزایی با اندازه‌هایی از مقیاس میکرومتر تا سانتی‌متر را در بر می‌گرفت.
برای ارزیابی عملکرد این مواد، آزمایش‌های مکانیکی مختلفی انجام شد. در یکی از این آزمایش‌ها، وزنه‌ای سنگین روی نمونه‌ها رها شد و در آزمایشی دیگر، مواد تحت فشار فزاینده قرار گرفتند. سپس رفتار مکانیکی نمونه‌ها با فرامواد متداول دارای ساختار شبکه‌ای منظم و الگوهای لانه‌زنبوری مقایسه شد.
نتایج نشان داد نمونه‌های مبتنی بر شبکه‌های چندمقیاسی، در برابر فشار و ضربه عملکرد بهتری دارند و می‌توانند انرژی واردشده را با کارایی بیشتری جذب کنند. یکی از دلایل اصلی این عملکرد، تنوع ابعادی اجزای تشکیل‌دهنده شبکه است. در ساختارهای منظم، آسیب‌دیدن یک بخش می‌تواند تغییر شکل مشابهی را در واحدهای مجاور ایجاد کند؛ اما در شبکه‌های نامنظم و چندمقیاسی، وجود مسیرهای متعدد و اتصالات متنوع موجب می‌شود نیرو در بخش‌های مختلف توزیع شود و شکست موضعی به‌سادگی به فروپاشی کل ساختار منجر نشود.
به گفته کارلوس پورتلا، دانشیار مهندسی مکانیک مؤسسه فناوری ماساچوست و از نویسندگان این پژوهش، تنوع مقیاس‌های طولی در این مواد باعث می‌شود حتی در صورت آسیب‌دیدن یک بخش، شبکه متراکم پیرامون آن همچنان پایداری کلی ساختار را حفظ کند. این ویژگی، توزیع مؤثرتر آسیب و جذب انرژی را امکان‌پذیر می‌سازد.
الهام از پوست ضخیم میوه برای محافظت از ساختارهای حساس
در بخش دیگری از این پژوهش، محققان برای نشان‌دادن قابلیت‌های این رویکرد طراحی، از ساختار متراکم و لایه‌بندی‌شده پوست میوه پوملو (Pomelo) الهام گرفتند. پوست ضخیم این میوه به دلیل تفاوت در تراکم ساختاری بخش‌های مختلف، می‌تواند از قسمت‌های داخلی آن محافظت کند. پژوهشگران نیز با الگوبرداری از این ویژگی، ماده‌ای طراحی کردند که در بخش‌های بیرونی آن شبکه‌ای متراکم‌تر از تیرک‌ها وجود داشت و تراکم ساختار به سمت مرکز کاهش می‌یافت.
آزمایش‌ها نشان داد این طراحی می‌تواند از یک جسم شکننده که در مرکز شبکه قرار داده شده است، در برابر نیروهای واردشده محافظت کند. در واقع، بخش‌های متراکم‌تر بیرونی با جذب و توزیع انرژی، از انتقال مستقیم نیروی ضربه به جسم حساس در مرکز جلوگیری می‌کنند.
تین چن، دانشیار بخش مهندسی هوانوردی کالج امپریال لندن که در این پژوهش مشارکت نداشته است، این رویکرد را چارچوبی تازه برای طراحی موادی با ویژگی‌های ساختاری متنوع در گستره وسیعی از مقیاس‌ها ارزیابی کرده است. به اعتقاد او، این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز تولید نسل جدیدی از مواد با رفتار فیزیکی متفاوت و قابلیت‌های پیشرفته برای تحمل بار، جذب انرژی و کنترل ارتعاشات باشد.
پژوهشگران معتقدند این شیوه طراحی، افق تازه‌ای را در مهندسی فرامواد گشوده است؛ زیرا به‌جای محدودکردن ساختار داخلی مواد به الگوهای هندسی ثابت، امکان بهره‌گیری از شبکه‌های پیچیده و متنوع را فراهم می‌کند. این رویکرد می‌تواند در آینده برای توسعه مواد مقاوم در برابر ضربه، ساختارهای محافظ، تجهیزات ایمنی، مواد جاذب ارتعاش و حتی عدسی‌های صوتی مورد استفاده قرار گیرد. عدسی‌های صوتی موادی هستند که با بهره‌گیری از ساختار داخلی مهندسی‌شده خود، امکان هدایت و متمرکزکردن امواج صوتی یا ارتعاشی را فراهم می‌کنند.
این پژوهش را می‌توان نمونه‌ای از پیوند میان علم شبکه، مهندسی مواد و فناوری ساخت افزایشی دانست؛ پیوندی که نشان می‌دهد گاهی فاصله‌گرفتن از نظم هندسی متداول و الهام‌گرفتن از پیچیدگی‌های طبیعت، راهکارهای مؤثرتری برای طراحی مواد پیشرفته در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.