Исследователи создают новый класс чувствительных к скорости механических метаматериалов

Ученые кафедры биомеханики Технологического университета Делфта (TU Delft) создали новый класс метаматериалов, способных динамически менять свое механическое поведение. Он может стать основой для практического применения, например, для одежды, защищающей от падения пожилых людей. Результаты будут опубликованы в журнале Science Advances.

Метаматериалы - это искусственно созданные материальные структуры, свойства которых определяются не химическим составом материала, из которого они сделаны, а внутренней микроструктурной конструкцией. Метаматериалы могут быть спроектированы таким образом, чтобы показать исключительные свойства, не встречающиеся в простых природных материалах. Например, в то время как структуры, которые сжимаются в одном направлении, интуитивно ожидается, что расширяться в обратном направлении, класс метаматериалов, называемых вспомогательными материалами, целенаправленно разработаны, чтобы сделать обратное.

Механические метаматериалы

До сих пор механические метаматериальные функции не использовали зависящих от времени эффектов. Это удивительно, говорит доктор Шахрам Джанбаз, исследователь группы биоматериалов и тканевой биомеханики TU Delft и первый автор статьи, потому что многие гибкие материалы, используемые для создания механических метаматериалов, такие как пластмассы на полимерной основе, показывают механическое поведение, которое зависит от скорости, с которой они деформируются. "Вискоупругие материалы при деформации подвергаются медленным изменениям, которые рассеивают энергию". Поэтому их механическая реакция зависит от того, как быстро вы их деформируете".

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Команда, возглавляемая профессором Амиром Задпуром, теперь вводит временное измерение в механический метаматериал, создавая то, что можно считать новым классом метаматериалов, способных динамически менять свое механическое поведение.

Команда построила высокие колонны, состоящие из двух разных материалов: одна сторона сделана из материала, который реагирует на скорость деформации, в то время как материал другой стороны никак не реагирует на скорость деформации. При приложении сжимающей силы вдоль длинной оси этой " двулучевой балки" эластичность обоих материалов гарантирует, что они не ломаются, а сгибаются.

Исследователи показали, что двулучевая балка предсказуемо сгибается в левую или правую сторону в зависимости от скорости сжатия. Такое зависящее от скорости деформации поведение двулучевых балок является ключом к созданию новых материалов с необычными свойствами, невиданными ранее. "Все, что вам нужно сделать, это найти умный способ сборки двулучевых балок, и шансы на то, что вы найдете механическое поведение, о котором раньше никогда не сообщалось, очень высоки", - говорит Задпур.

Джанбаз объясняет: "Например, мы соединили две параллельные, зеркальные двулучевые балки друг с другом через жесткие соединители в качестве элементарной ячейки, которую можно повторять во всех направлениях, чтобы создать трехмерную метаматериальную решетчатую структуру. Мы обнаружили, что, увеличивая скорость деформации, механическое поведение такой ячейки полностью переключается со вспомогательного на обычное". В видеоматериалах, сопровождающих публикацию, показано, как решетка, состоящая из взаимосвязанных элементарных ячеек, сжимается при низких скоростях сжатия и расширяется при высоких скоростях.

Одним из потенциальных применений метаматериалов, демонстрирующих такое поведение переключения, является защита от падений. "Представьте себе износостойкий слой. При нормальных условиях он мягкий и следует за движениями тела. Когда происходит удар, материал меняет свое поведение, действуя как амортизатор", -говорит Задпур. Это может помочь людям, страдающим остеопорозом, где переломы костей представляют собой серьезное осложнение.

Исследователи также создали двулучевые решетки, которые запрограммированы на то, чтобы стать менее жесткими, если они быстро растягиваются. Такое поведение можно назвать отрицательной вязкоупругостью, чего раньше не наблюдалось в твердых телах.

Хотя создать гораздо меньшие по размеру двулучевые решетки такого же дизайна, что и протестированные здесь модели сантиметрового размера, возможно, будет сложно, исследователи видят возможности использования методов трехмерной печати для создания решеток из крошечных двулучевых блоков.

Исследователи в восторге от потенциала их двухлучевой конструкции. "Мы ожидаем, что этот базовый элемент может быть использован для создания богатого разнообразия механического поведения", - говорит Джанбаз. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet