Группа исследователей из Массачусетского технологического института и других университетов разработала новый метаматериал с внутренней структурой, вдохновленной жилками листьев растений и крыльев стрекоз.
Традиционные метаматериалы проектируются путем многократного повторения базовых ячеек, таких как квадратные решетки или шестиугольные сотовые структуры.
Ученые обратились к природным сетям, где сосуществуют элементы разного размера — жилкам листьев, паутинам и крыльям стрекоз. Исследователи из Массачусетского технологического института, Северо-Восточного университета и Утрехтского университета объединили усилия для создания принципиально нового класса материалов, названных «масштабно-насыщенными метаматериалами» (Scale-Rich, или SR).
Жилки в крыльях стрекоз имеют длину от 0,1 миллиметра примерно до 50 миллиметров.
Программа случайно распределяет точки в заданном объеме и проводит через них прямые линии, которые останавливаются при достижении границ или других линий.
Повторение этого процесса с постепенным утонением линий формирует плотную сеть пересекающихся балок различной длины и толщины. Исследователи изготовили сантиметровые образцы из эластично-пластичной полимерной смолы с помощью трехмерной печати методом ват-фотополимеризации, добившись разрешения элементов примерно в 100 микрометров.
Они провели испытания на сжатие со встраиванием хрупкой акриловой смолы внутрь образцов, а также ударные испытания со сбросом грузов.
Моделирование показало, что нагрузка на хрупкую акриловую смолу может быть снижена примерно в пять раз по сравнению с традиционными структурами.
В ходе экспериментов образцы SR продемонстрировали способность равномерно распределять повреждения и сохранять макроскопически стабильную несущую способность.
«Это совершенно новый способ мышления для метаматериалов. Применив этот сетевой дизайн к материалам, мы теперь можем думать о новых микроструктурах и механических преимуществах, которые раньше были невозможны», — заявил Карлос Портела, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте.
Карлос Портела, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте
Альберт-Ласло Барабаши, физик из Северо-Восточного университета, известный своими работами в области сетевой науки, присоединился к исследовательской группе.
SR-метаматериалы позволяют контролировать анизотропию — свойство, при котором сопротивление деформации различается в зависимости от направления приложенного усилия.
Настраивая параметры, ученые смогли создавать как высокоанизотропные, так и практически изотропные системы. Процедура проектирования также подходит для создания устойчивых, поглощающих удары материалов, таких как шлемы и броня, а также акустических линз — материалов, микроструктура которых эффективно фокусирует звук или вибрации.
Авторы разработки сообщают, что производители смогут применять созданный алгоритм для проектирования защитного снаряжения и акустических компонентов, опираясь на простоту настройки всего из двух параметров и совместимость с технологиями 3D-печати.
Читайте также
