Учёные разработали новый искусственный материал, демонстрирующий очень нетипичное поведение при воздействии постоянной силы вдоль одной оси: он закручивается. Данный материал относится к классу механических метаматериалов, свойства которых полностью определяются в первую очередь очень сложной геометрической структурой, а не характеристиками составляющих его элементов. Результаты исследования опубликованы в авторитетном журнале Science. В классической механике сплошных сред кручение невозможно получить при воздействии силы вдоль прямой линии. Сжатие упругого тела обычно приводит к расширению в направлениях, перпендикулярных оси сжатия. Однако исследователям из Технологического института Карлсруэ (Германия) и Университета Франш-Конте (Франция) удалось создать кристалл, нарушающий это правило. Разработанный метаматериал закручивается на более чем 2 градуса при каждом процентном укорочении.
Такой результат достигнут благодаря точной микроскопической сборке составляющих его элементов. Вначале физики провели численное моделирование материала, чтобы определить оптимальную форму кубической ячейки. Затем выявленная структура была получена из полимера методом лазерной 3D-печати. Когда к ячейке прикладывается усилие, кольцевые структуры на каждой грани вращаются, утягивая за собой углы куба. Трехмерная модель метаматериала, скручивающегося в ответ на прилагаемые усилия. C. Bickel/Science
Также выяснилось, что если размер ячейки уменьшается, а размер всего тела остается неизменным, то это приводит к увеличению жесткости и уменьшению эффекта скручивания. Это также противоречит стандартным правилам классической механики сплошных сред, где деформация кручения в таком случае запрещена, а жесткость — это масштабно-инвариантная характеристика.
Материалы с произвольными упругими свойствами могут позволить создать механические аналоги оптических метаматериалов. Одним из предложенных авторами применений могут быть структуры, позволяющие направлять механические волны, например от землетрясений, вокруг определенных областей.
Метаматериал, способный скручиваться в ответ на механическое напряжение,тип механического метаматериала, разработанный с особыми микроструктурами, которые вызывают деформацию кручения под нагрузкойЭти материалы, часто использующие хиральные или вдохновлённые оригами конструкции, демонстрируют компрессионно-торсионную связь, где осевая сила (например, сжатие) вызывает скручивающее движение. Это уникальное свойство позволяет применять их в системах аккумулирования энергии, робототехнике и современных системах защиты от ударов, обеспечивая настраиваемые и адаптивные механические реакции.
Как это работает
- Архитектура: Скручивание обусловлено тщательно продуманной геометрией элементарных ячеек метаматериала. Эти конструкции могут быть вдохновлены природными формами, такими как спирали ДНК, или геометрическими узорами, такими как структуры оригами Креслинга .
- Связность деформаций: когда материал подвергается воздействию силы, определённая геометрия связывает моды деформации. Например, осевое сжатие напрямую связано с крутильным или скручивающим движением.
- Масштабируемость: Достижение постоянного и масштабируемого эффекта скручивания в большой конструкции было сложной задачей, но разрабатываются новые правила сборки и конструкции, которые позволяют реализовать практичные крупномасштабные приложения.
Основные свойства и области применения
- Адаптивная реакция: они могут перенастраивать свою реакцию на удар, предлагая множественные пути смещения силы и превосходные механические характеристики по сравнению с обычными материалами.
- Поглощение энергии: скручивающее движение является эффективным способом поглощения и сохранения энергии ударов, которая затем может быть высвобождена посредством скручивающего движения.
- Настраиваемые свойства: исследователи разрабатывают методы настройки механических свойств и углов закручивания, что делает их пригодными для широкого спектра применений.
- Возможные варианты использования:
- Датчики и исполнительные механизмы
- Робототехника
- Устройства сбора энергии
- Системы защиты от ударов для транспортных средств и самолетов
- Компоненты, изменяющие форму
Также стало известно, что международная группа исследователей из Китая, США и Германии разработала метаматериал с выдающейся механической емкостью хранения энергии. Придать ему уникальные характеристики удалось за счет структуры — скрученных гибких стержней, деформирующихся по спирали.
Инновационная структура хранит потенциальную энергию, как сжатая пружина. Но если скрутить каждый стержень, нагрузка распределяется равномерно по поверхности / © Xin Fang et al.Сначала ученые нашли способ сохранять большое количество энергии в простом круглом стержне, не ломая и не деформируя его. Затем механизм масштабировали и с помощью компьютерного моделирования спрогнозировали свойства нового перспективного материала, в частности высокую жесткость, что позволяет поглощать больше энергии во время деформации. Чем выше жесткость — тем больше возникающая сила упругости.
Подобно тому, как сжатая пружина хранит потенциальную энергию, работает и предложенная исследователями технология. Но есть существенное отличие. В традиционной пружине напряжения во внутреннем объеме крайне невелики, в то время как на концах, наоборот, слишком высокие, что приводит к разрыву. Ученые обнаружили, что, если скрутить стержень, его поверхность тоже подвергнется высоким напряжениям, следовательно, нагрузка распределится равномерно по поверхности.
Принцип действия лег в основу метаматериала — композита, физические свойства которого задаются не химическим составом, а пространственной структурой. Они не встречаются в природе, а создаются из индивидуально определенных компонентов.
Созданный международной командой ученых хиральный метаматериал представляет собой особый тип композитного материала. Хиральность — это свойство предмета не накладываться на свое зеркальное отображение. Точно так же, к примеру, несовместимы руки человека: ни при каком движении правую ладонь не повернуть так, чтобы она выглядела как левая.
Научная группа провела испытания, которые подтвердили перспективные характеристики разработанной модели. По сравнению с другими известными искусственными структурами, материал показал 5-10-кратную прочность на изгиб, то есть способность противостоять деформации под нагрузкой, 2–32-кратную эквивалентность энергии массе (в пределах прочности материала) и 2–160-кратную энтальпию. Это означает, что он может хранить в десятки раз больше упругой энергии, причем восстанавливая форму после сжатия или растяжения.
Авторы научной работы отметили, что производительность материала можно улучшить еще больше за счет использования более плотного расположения зеркальных хиральных структур. Потенциально применять его можно будет в тех областях, где требуются эффективное энергосбережение и исключительные механические свойства, от легких и миниатюрных конструкций до промышленных установок. Пружинное накопление энергии требуется, например, в демпферах или низкочастотных виброизоляторах, а гибкие соединения — в робототехнике.
Научная статья опубликована в журнале Nature.
