Исследователи из Массачусетского технологического института и других организаций разработали «нерегулярный метаматериал», чья внутренняя структура воспроизводит прожилки листьев и крылья стрекоз для улучшения ударопоглощения.
Инженеры создали материал с помощью специального алгоритма, формирующего сложную сеть из балок различной длины и толщины. Об этом сообщает BigGo Finance.
Традиционные метаматериалы обычно состоят из регулярно повторяющихся ячеек, таких как квадратные или шестиугольные решетки. Подобная упорядоченность увеличивает жесткость, однако при разрушении одной детали деформация быстро передается на соседние элементы, вызывая стремительное разрушение всей конструкции. Новый подход заимствует природные структуры, где элементы разных размеров сосуществуют без строгой периодичности.
Алгоритм случайным образом задает точки и проводит линии внутри внешней границы материала, останавливая их при достижении других линий или границ. Прототипы из полимерных смол были изготовлены методом 3D-печати и протестированы в лаборатории, как пишет BigGo Finance.
В ходе испытаний на сжатие и ударные нагрузки исследователи зафиксировали распределение повреждений по всему объему материала вместо их концентрации в отдельных зонах. Образцы показали повышенную энергоемкость и сниженное максимальное усилие при ударе по сравнению с традиционными решетчатыми и сотовыми структурами.
«Это совершенно новый способ мышления о метаматериалах. Задействовав этот сетевой дизайн для материалов, мы теперь можем думать о новых микроструктурах и механических преимуществах, которые раньше были невозможны», — заявил Карлос Портела, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте, руководивший исследованием, чьи слова приводятся в материале BigGo Finance.
В исследовательской работе также участвовали физик Альберт-Ласло Барабаши из Северо-Восточного университета, а также специалисты из Утрехтского университета в Нидерландах, о чем сообщает Mirage News.
Помимо защиты от ударов, ученые продемонстрировали возможность применения подобных структур в акустических линзах для управления направлением и скоростью вибраций. Авторы разработки видят потенциал ее использования в защитном снаряжении, спортивных шлемах и упаковке для чувствительного оборудования.
Исследовательская группа дала этому новому методу проектирования название «Scale-Rich (SR) metamaterials». В природных объектах, таких как жилки крыльев стрекоз, элементы могут иметь длину от 0,1 миллиметра до примерно 50 миллиметров. В процессе создания таких искусственных материалов ученые задействовали метод фотополимеризации в ванне на 3D-принтере, изготавливая образцы сантиметрового масштаба из упругопластичной полимерной смолы с разрешением около 100 микрометров. Для настройки внутренней геометрии исследователям потребовалось настраивать всего два параметра: толщину изначально прорисовываемых линий и скорость утоньшения добавляемых впоследствии линий.
Команда провела сравнение характеристик новых SR-микроструктур с тремя традиционными типами одиночных микроструктур: квадратной решеткой, шестиугольной решеткой и нерегулярной вороиновой мозаикой (Voronoi tessellation). В ходе компьютерного моделирования и физических экспериментов ученые выяснили, что материалу можно придавать как высокую степень анизотропии, так и почти изотропные свойства в широком диапазоне относительной плотности.
При тестировании со сжатием образцов, содержащих хрупкую акриловую смолу внутри, компьютерное моделирование показало снижение механического напряжения на эту смолу почти в пять раз по сравнению с классическими структурами. Образцы с новой геометрией продемонстрировали минимальный уровень локализации повреждений в процессе деформации, что подтверждает способность материала равномерно распределять нагрузку и сохранять стабильность несущей способности.
По теме
