Скрученные в пружину стержни из метаматериала сохранили рекордный объем энергии

❋ 4.6

Международная группа исследователей из Китая, США и Германии разработала метаматериал с выдающейся механической емкостью хранения энергии. Придать ему уникальные характеристики удалось за счет структуры — скрученных гибких стержней, деформирующихся по спирали.

Химия

# материаловедение

# метаматериалы

# физика

# Хиральность

# энергия

# энтальпия

Инновационная структура хранит потенциальную энергию, как сжатая пружина. Но если скрутить каждый стержень, нагрузка распределяется равномерно по поверхности / © Xin Fang et al.

Сначала ученые нашли способ сохранять большое количество энергии в простом круглом стержне, не ломая и не деформируя его. Затем механизм масштабировали и с помощью компьютерного моделирования спрогнозировали свойства нового перспективного материала, в частности высокую жесткость, что позволяет поглощать больше энергии во время деформации. Чем выше жесткость — тем больше возникающая сила упругости.

Подобно тому, как сжатая пружина хранит потенциальную энергию, работает и предложенная исследователями технология. Но есть существенное отличие. В традиционной пружине напряжения во внутреннем объеме крайне невелики, в то время как на концах, наоборот, слишком высокие, что приводит к разрыву. Ученые обнаружили, что, если скрутить стержень, его поверхность тоже подвергнется высоким напряжениям, следовательно, нагрузка распределится равномерно по поверхности.

Принцип действия лег в основу метаматериала — композита, физические свойства которого задаются не химическим составом, а пространственной структурой. Они не встречаются в природе, а создаются из индивидуально определенных компонентов.

Созданный международной командой ученых хиральный метаматериал представляет собой особый тип композитного материала. Хиральность — это свойство предмета не накладываться на свое зеркальное отображение. Точно так же, к примеру, несовместимы руки человека: ни при каком движении правую ладонь не повернуть так, чтобы она выглядела как левая.

Высокая жесткость материала позволяет ему поглощать больше энергии во время деформации / © Xin Fang et al.

Научная группа провела испытания, которые подтвердили перспективные характеристики разработанной модели. По сравнению с другими известными искусственными структурами, материал показал 5-10-кратную прочность на изгиб, то есть способность противостоять деформации под нагрузкой, 2–32-кратную эквивалентность энергии массе (в пределах прочности материала) и 2–160-кратную энтальпию. Это означает, что он может хранить в десятки раз больше упругой энергии, причем восстанавливая форму после сжатия или растяжения.

Испытания показали, что материал может хранить в десятки раз больше упругой энергии, чем известные искусственные структуры / © Xin Fang et al.

Авторы научной работы отметили, что производительность материала можно улучшить еще больше за счет использования более плотного расположения зеркальных хиральных структур. Потенциально применять его можно будет в тех областях, где требуются эффективное энергосбережение и исключительные механические свойства, от легких и миниатюрных конструкций до промышленных установок. Пружинное накопление энергии требуется, например, в демпферах или низкочастотных виброизоляторах, а гибкие соединения — в робототехнике.

Научная статья опубликована в журнале Nature.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.