Метаматериалы обладают свойствами, которых нет в природе

Несколько лет назад исследователи продемонстрировали, что мягкие материалы могут быть использованы для передачи волн. Они применили это при разработке полимерных структур, чтобы те реализовали эту возможность за счет бистабильных компонентов. Это простое решение для передачи сигналов в мягких материалах послужило созданию альтернативы обычным кабелям

Удивительно, наблюдаем керамический кубик под микроскопом и понимаем, что он обладает сверхспособностями. Сжатый почти до трети своего изначального размера, он отказывается разрушаться. Когда давление на кубик прекращается, он 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 - проистекает из изогнутых канавок и полостей, которые пересекают его внутреннюю структуру. Их расположение таково, что при возникновении силы сжатия или растяжения, они не могут сконцентрироваться в какой-либо одной области куба.

Именно эта концентрация сил вблизи дефектов, трещин или острых углов делает керамические материалы такими хрупкими. Искривленная архитектура кубика меняет это свойство, показывая неожиданную эластичность керамики. Такая специально разработанная керамика называется метаматериалом, созданным для того, чтобы овладеть свойствами, которых нет в природе. Его внутренняя микроструктура придает ему эти искусственно созданные свойства.

Растягиваемая керамика - это еще довольно неприглядный пример. Другие метаматериалы известны своей способностью контролировать распространение волн. Например, исследователям удалось получить метаматериал с отрицательным показателем преломления. Он преломляет свет или другие волны в предварительно заданном направлении.

Применения этого свойства включают создание полностью плоских линз и, теоретически, разработку оптической или акустической маскировки. С метаматериалами вымышленный плащ-невидимка может стать научным фактом. Эта относительно новая область может оказаться золотой жилой для будущих исследований.

Теоретически, метаматериалы могут принимать практически любую комбинацию свойств. Эта область может стать площадкой для тех, кто способен эффективно использовать сочетание геометрии и физики.

Мягкий и проводящий

Несколько лет назад исследователи продемонстрировали, что мягкие материалы могут быть использованы для передачи волн. Они применили это при разработке полимерных структур, чтобы те реализовали эту возможность за счет бистабильных компонентов.

Каждый из этих компонентов может принимать два устойчивых состояния: напряженное и расслабленное. Ученые выстроили полимеры в ряд, как домино, и соединили их друг с другом. Движение одного конца этой структуры запускает волну, которая перемещается на другой конец, аналогично падающему домино. Это простое решение для передачи сигналов в мягких материалах послужило созданию альтернативы обычным кабелям.

В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы применить этот принцип в одномерном варианте, применимом к двум и трем измерениям. Идея заключается в разработке материалов, которые могут изменять свою форму в двух или трех измерениях в ответ на определенное воздействие, не полагаясь на приводы или двигатели в качестве исполнительных механизмов. Предполагается программирование начальных, конечных и промежуточных состояний трансформируемой формы, а также скорости и последовательности этого преобразования, используя только структуру изменяемой 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. Был разработан покрытый кремнием метаматериал, способный изменять свою структуру при электрохимической зарядке.

В своем исходном состоянии он выглядит как трехмерная сетка, похожая на боксерский ринг, с тонкими горизонтальными распорками, соединяющими более толстые вертикальные стойки. При электрическом заряде горизонтальные распорки конструкции расширяются и принимают симметричный рисунок, состоящий из противоположно расположенных синусоидальных арок. Исследователи воспользовались эффектом, который, как известно, вызывает проблемы в работе аккумуляторов: электроды расширяются и сжимаются, когда батарея заряжается и разряжается.

Таким образом, исследователям удалось создать переключаемый метаматериал, работающий как перезаряжаемая батарея, который может быть использован в разработке устройств накопления энергии микрометрового масштаба.

Также исследователи использовали симуляции для проверки еще одного интересного свойства: зарядка метаматериала для изменения его формы предотвращает распространение волн в определенных частотных диапазонах, которые можно изменять, модулируя напряжение. Отмечается, что эти регулируемые волновые барьеры могут быть использованы для гашения вибраций в очень маленьких компонентах, таких как микроэлектроника.

Творческий поиск структуры

Ключом к приданию необходимых свойств материалу является успешный поиск правильной мелкомасштабной 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 для реализации методов 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».

Источник: ETH Zürich