Вес самых мощных и крупных инженерных конструкций и сооружений — мостов, зданий, башен, платформ — можно уменьшить на порядки при той же прочности. Достаточно вспомнить о фракталах.

Иерархические структуры, рассмотренные учеными, состоят из полых трубочек
Фрактал — кочан брокколи сорта Романеско

Чтобы снизить вес конструкции, инженеры могут самым тщательным образом просчитать нагрузки и избавиться от лишних элементов, оставив лишь самые необходимые. Однако можно пойти по тому же пути с самого начала, проектируя сам материал таким образом, чтобы он не содержал ничего лишнего. С этой точки зрения достаточно взглянуть на наш организм.

У нас губчатая костная ткань образует скелет — весьма прочную и притом легкую конструкцию. Такой же подход предлагают использовать и ученые: иерархическая, фрактальная структура искусственного материала обещает те же впечатляющие преимущества. В архитектуре фракталы — не новость: так возведена, скажем, Эйфелева башня. Однако в последние годы стало технически возможным воплощение фрактальной структуры на микроуровне.

Дело оставалось лишь за хорошей теорией, которая позволит заранее оценивать свойства фрактальных структур для строителей. Этой теорией занялись исследователи из Великобритании во главе с Юн Мао (Yong Mao) и пришли к выводу, что использование таких материалов сулит огромные преимущества.

Подготовленный учеными математический аппарат позволил им теоретически рассмотреть фрактальную структуру из «ветвящихся» полых труб. Варьируя диаметр и толщину стенок, авторы пытались достичь максимальной прочности при минимальном расходе материала. Расчеты показали, что при сохранении той же прочности, что у цельного цилиндрического стержня, трубка может быть вдесятеро легче.

На этой основе расчеты были проведены для структур, включающих фрактальные «веточки» следующих уровней — и с тем же результатом. К примеру, авторы предсказывают, что если строительный кран будет сделан из «фрактального железа», его вес уменьшится в сотню раз, чем если из цельного стержня (заметим, что и сегодня краны представляют собой полые конструкции). В любом случае, теория предсказывает, что с добавлением каждого нового уровня «ветвления» фрактала вес структуры будет падать, а способность выдерживать нагрузки — практически нет.

Дело теперь за малым — чтобы такое облегчение веса за счет создания чрезвычайно сложных и дорогостоящих структур было кому-нибудь нужно.

По сообщению APS