Свойства метаматериала научились программировать в реальном времени

Метаматериалы — такие композиты, физические свойства которых задаются не столько их химическим составом, сколько пространственной структурой. Как правило, это происходит прямо в процессе изготовления, что существенно ограничивает сферу применения подобных изделий. Инженеры из Швейцарии смогли создать метаматериал, состоящий из особых ячеек, изменяющих свои свойства под действием магнитного поля.

Физика

# композитные материалы

# метаматериалы

# Швейцария

Схема установки для программирования метаматериала / ©Chen, T., Pauly, M. & Reis, P.M. A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory. Nature 589, 386–390 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03123-5 / Автор: Никита Тарасов

Программируемый метаматериал — по-настоящему прорывная технология: насколько известно, подобное создали впервые. У него пока нет специального названия, это лишь первые эксперименты, но их результаты выглядят многообещающе. Полное описание технологии вместе с подробными видеозаписями различных тестов опубликовано в рецензируемом журнале Nature.

Новый метаматериал создал постдокторат Института машиностроения Федеральной политехнической школы Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) Тян Чен (Tian Chen) под руководством Педро Рейса (Pedro Reis). В этой работе также активно участвовал руководитель Лаборатории геометрических вычислений Марк Паули (Mark Pauly).

Программирование метаматериала из массива ячеек 6х6 и последующее тестирование / ©Chen, T., Pauly, M. & Reis, P.M. A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory. Nature 589, 386–390 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03123-5

Разработка Тян Чена состоит из множества ячеек, способных поддерживать два стабильных состояния. Он называет их «м-биты» (m-bits) — по аналогии с бинарными элементами компьютерной памяти. Так же, как логические ячейки на жестком диске, элементы метаматериала способны менять свое состояние под действием магнитного поля. И ровно таким же образом изменение состояния лишь некоторой части из них позволяет радикально менять свойства более крупного блока.

Изначально Тян Чен планировал создать материал, который, в зависимости от ситуации, может быть либо жестким, либо гибким. Но в ходе экспериментов выяснилось, что, программируя ячейки определенным образом, можно управлять не только двумя этими свойствами. Изготовленный для тестов мат метаматериала получалось сделать более гибким в одном направлении, чем в другом. Или заставить поддерживать форму при нагрузке в определенном направлении и сгибаться при изменении ее вектора.

Программирование ячейки. Созданный Ченом метаматериал выдерживает более сотни изменений состояния / ©Chen, T., Pauly, M. & Reis, P.M. A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory. Nature 589, 386–390 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03123-5

В своей дальнейшей работе инженер планирует заняться уменьшением ячеек. Как далеко зайдет его проект, предсказать пока трудно, но для практического применения их придется сделать на несколько порядков компактнее. Кроме того, в лаборатории использовали силикон, а для реальных условий может понадобиться реализовать эту схему из совсем иных материалов.

Комментируя результаты исследования своего протеже, Рейс предположил следующий шаг — сделать структуру трехмерной. Пока метаматериал состоит из всего одного слоя ячеек. Объемная структура может показать даже более удивительные свойства. Правда, нужно разработать новый метод программирования ячеек. Сейчас их намагничивают или размагничивают роботизированной рукой с датчиком Холла. Она способна запрограммировать только лежащие в одной плоскости ячейки.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.