Метаматериалы обладают свойствами, которых нет в природе

Несколько лет назад исследователи продемонстрировали, как мягкие материалы передают волны. C помощью бистабильных компонентов разработали полимерные структуры. Это простое решение, когда сигналы проходят в мягких материалах, позволило создать альтернативу обычным кабелям

Удивительно, наблюдаем керамический кубик под микроскопом и понимаем, что предмет обладает сверхспособностями. Сжатый почти до трети своего изначального размера, тело отказывается разрушаться. Когда давление на кубик прекращается, объект возвращается в свое исходное состояние с упругостью губки. Пресс опускается вновь, но кубик опять остается целым.

Потрясающая эластичность этого крошечного керамического кубика - всего 0,1 мм в высоту - основана на изогнутых канавках и полостях, которые пересекают внутреннюю структуру материала. Расположение элементов таково, что, когда возникает сжатие или растяжение, напряжение не может сконцентрироваться в какой-либо одной точке.

Именно эта концентрация сил вблизи дефектов, трещин или острых углов делает керамические материалы такими хрупкими. Искривленная архитектура кубика меняет это свойство и показывает неожиданную эластичность керамики. Такая специально разработанная керамика называется метаматериалом, созданным для того, чтобы овладеть свойствами, которых нет в природе.

Эластичная керамика - это только скромный пример. Другие метаматериалы управляют волнами. Например, исследователям удалось получить метаматериал с отрицательным показателем преломления. Свет или другие волны преломляются в предварительно заданном направлении.

Это свойство позволяет создать полностью плоские линзы и теоретически получить оптическую или акустическую маскировку. С метаматериалами вымышленный плащ-невидимка когда-то станет научным фактом. Эта относительно новая область исследований окажется золотой жилой для будущих открытий.

Теоретически метаматериалы способны принимать практически любую комбинацию свойств. Эта область науки станет выгодным подспорьем для тех, кто эффективно сочетает геометрию и физику.

Мягкий и проводящий

Несколько лет назад исследователи продемонстрировали, как мягкие материалы передают волны. C помощью бистабильных компонентов разработали полимерные структуры. Это простое решение, когда сигналы проходят в мягких материалах, позволило создать альтернативу обычным кабелям.

Каждый из этих компонентов принимает два устойчивых состояния: напряженное и расслабленное. Ученые выстроили полимеры в ряд, как домино, и соединили элементы друг с другом. Движение одного конца этой структуры запускает волну, которая перемещается на другой конец аналогично падающему домино.

В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы применить этот принцип в одномерном формате, который применим к двум и трем измерениям. Идея заключается в разработке материалов, которые изменяют свою форму в двух или трех измерениях в ответ на определенное воздействие без приводов или двигателей в качестве исполнительных механизмов. Предполагается программирование начальных, конечных и промежуточных состояний изменяемой формы, скорости и последовательности этого преобразования с помощью только структуры материала и воздействия внешней среды.

Метаморфоза одним нажатием кнопки

В то время как преобразование одних материалов осуществляется механически, например, вручную в лаборатории, метаморфозы других происходят электронным способом одним нажатием кнопки. Разработали метаматериал, покрытый кремнием, который меняет свою структуру при электрохимической зарядке.

В своем исходном состоянии метаматериал выглядит как трехмерная сетка, которая похожа на боксерский ринг с тонкими горизонтальными распорками и более толстыми вертикальными стойками. При электрическом заряде горизонтальные распорки конструкции расширяются и принимают симметричный рисунок, который состоит из противоположно расположенных синусоидальных арок. Исследователи использовали эффект, который, как известно, вызывает проблемы в работе аккумуляторов: электроды расширяются и сжимаются, когда батарея заряжается и разряжается.

Таким образом, исследователям удалось создать метаматериал, который работает как перезаряжаемая батарея и накапливает энергию микрометрового масштаба. Также исследователи проверили еще одного интересного свойство: зарядка изменяет форму метаматериала и предотвращает распространение волн в определенных частотных диапазонах, которые можно изменять и модулировать напряжение. Отмечается, что эти регулируемые волновые барьеры гасят вибрации в очень маленьких устройствах, например, из области микроэлектроники.

Творческий поиск структуры

Ключом к требуемым свойствам материалов является успешный поиск правильной микроскопической архитектуры. Вопрос остается только в том, как найти среди бесчисленных комбинаций геометрических форм, архитектурных принципов и базовых материалов ту конструкцию, которая придаст им желаемые свойства.

В настоящее время предпринимаются усилия, чтобы реализовать методы множественной проработки огромного количества вариантов внутренней архитектуры материалов с помощью программных алгоритмов и искусственного интеллекта. Однако, на данный момент такие методы слабо развиты. «По-прежнему доминирует мысленно-творческое конструирование, основанное на опыте людей».

Источник: ETH Zürich