Специалисты Лихайского университета (США) совместно с Michelin и американским Национальным научным фондом (NSF) разрабатывают новые материалы для шинной отрасли, чья структура позаимствована у лапок кузнечиков и лягушек
Ученые поражались способности гекконов удерживаться и висеть вниз головой на совершенно ровных поверхностях как минимум со времен Аристотеля, который упомянул об удивительных способностях этой рептилии в своем трактате «История животных». Как бы то ни было, только порядка 15 лет назад исследователи смогли наконец определить, что своими талантами гекконы обязаны крошечным прожилкам в их лапках, после чего ученые поняли, что подобный механизм можно использовать и в практических целях. И одна из областей его применения - это шинная индустрия, которая благодаря биомимикрии может улучшить уровень сцепления своих шин.
Руководит проектом по созданию новых материалов для шин профессор Ананд Джагота (Anand Jagota) из Лихайского университета, специалист по химическому и биохимическому инжинирингу и директор университетской биоинжиниринговой программы. Г-н Джагота занимается изучением биоматериалов, биомеханики и нанобиотехнологий на протяжении почти трех десятилетий, а до прихода в университет он работал в корпорации DuPont.
Не так давно г-н Джагота и его команда опубликовали статью в журнале Scientific Reports, где рассказали о своей работе над созданием новых материалов, которые благодаря своей структуре могут улучшить характеристики автомобильных шин. Соавторами статьи стали Ин Бай (Ying Bai) и Чун-Юэнь Хуэй (Chung Yuen-Hui) из Корнелльского университета, а также Бенжамен Леврар (Benjamin Levrard) из Michelin.
Шинная компания заинтересовалась работой г-на Джаготы, когда несколько лет назад он рассказал о первых ее результатах на конференции во Франции, а теперь Michelin оказывает всяческую поддержку этому проекту.
Классическая проблема, с которой сталкиваются шинные разработчики, состоит в конфликте между тремя ключевыми параметрами шин - сцеплением, долговечностью и топливной экономичности. Улучшение одной характеристики почти всегда приводит к ухудшению другой.
«Премиальные шины обладают сниженным сопротивлением качению, уменьшающим расход топлива, а также увеличенным уровнем трения при скольжении, который помогает быстрее останавливаться, - объясняет г-н Джагота. - Чтобы усилить это трение, шины сейчас снабжают специальными структурами, которые отводят воду и увеличивают сцепление. Мы работаем над созданием подобных структур, но в микроскопическом размере».
Вместо того чтобы скопировать покрытые волосками прожилки лапок геккона, г-н Джагота и его коллеги предпочли имитировать ровные подушечки, которые расположены на лапках кузнечиков и лягушек. Была создана тонкая пленка, состоящая из крошечных выступов. «Мы разместили эти опоры в шестиугольном порядке, а тонкое покрытие поверх них позволило обеспечить стабильный контакт с неровными поверхностями и усиление адгезии, - говорит г-н Джагота. - В то же время шинам не нужно одинаковое сцепление во всех направлениях, поэтому мы перешли к параллельным рядам. Мы уверены, что эта система снизит скольжение в поперечном направлении».
Предположения ученых оказались верны, но результаты их работы удивили даже их самих. «Это было действительно неожиданно, - говорит г-н Джагота. - Сцепление выросло настолько существенно, что это превзошло наши ожидания».
Для своих экспериментов ученые создали пленку из резиноподобного материала, состоящую из равномерно расположенных параллельных рядов выступов и тонкого покрытия сверху. На пленку поместили стеклянный шар, который стали сдвигать в направлении, перпендикулярном расположению рядов.
По словам ученых, сцепление увеличивается за счет чрезвычайной пластичности рядов. Под давлением они изогнулись и образовали широкую площадь пятна контакта. Кроме этого, выработанная энергия рассеивается, когда ряды разгибаются и принимают свою нормальную форму.
По словам ученых, результаты очень многообещающие, и новый материал может не только улучшить сцепление шин, но и помочь рассеивать тепло и энергию - то есть рост сопротивления качению должен быть незначительным.
«Наша работа уже была очень продуктивной, - отметил г-н Джагота. - Мы еще только начали, но поддержка со стороны NSF и Michelin поможет нам заставить природные механизмы работать на наших дорогах».