У Nature представили метаматеріали з властивостями на багатьох масштабах
У Nature представили scale-rich метаматеріали, що дають змогу широко налаштовувати жорсткість, поглинання енергії та реакцію на хвилі.
Дослідники представили новий підхід до створення механічних метаматеріалів — scale-rich мереж, у яких товщина, довжина елементів і кількість їхніх з’єднань можуть відрізнятися на кілька порядків величини. Як повідомляє Nature, комп’ютерне моделювання та експерименти показали, що такі структури дають змогу широко налаштовувати пружні властивості, поглинати енергію та програмувати реакцію на пружні хвилі.
Мережа без єдиного характерного масштабу
Звичайні кристалічні матеріали та більшість інженерних метаматеріалів зазвичай мають один або кілька близьких масштабів: подібну товщину елементів, довжину зв’язків і число контактів. Натомість у новій моделі ці параметри утворюють широкі розподіли. Автори описують матеріал як планарну мережу: до квадратної області послідовно додають перемички випадкової орієнтації, а їхня товщина зменшується з кожним кроком за заданим правилом.
Кожна нова перемичка росте в обидва боки до першого перетину з іншою перемичкою або межею області. Унаслідок цього виникає мережа без перекриттів, де товщина, довжина та кількість з’єднань елементів можуть охоплювати кілька порядків величини. Дослідники вивели модель із двома основними параметрами, яка визначає, чи система зрештою стає щільно заповненою, чи зберігає можливість налаштування відносної густини.
Перевірка властивостей у моделях і зразках
Для порівняння автори дослідили квадратні та шестикутні решітки, а також нерегулярні структури Вороного. Їх зіставили зі scale-rich мережами за однакової відносної густини 40%. У комп’ютерному моделюванні шестикутні та Вороного-структури виявили майже однакову жорсткість у різних напрямках, тоді як квадратна решітка була значно жорсткішою вздовж своїх стрижнів.
У scale-rich матеріалах ступінь анізотропії залежав від параметра зменшення товщини елементів. За малих значень жорсткість була майже ізотропною, а зі зростанням параметра з’являвся виражений напрямок максимальної жорсткості. За даними дослідження, діапазон налаштування пружної анізотропії сягнув 190 разів у різних густинах матеріалу.
Зразки виготовили методом 3D-друку у сантиметровому масштабі та методом двофотонної літографії у мікрометровому масштабі. Автори також повідомили про стабільну нелінійну деформацію без локалізації, високе поглинання енергії, посилене розсіювання енергії за динамічного навантаження і можливість програмувати поширення пружних хвиль. Окрема аналітична модель пов’язала запасену в структурі енергію з довжиною, товщиною та кількістю з’єднань її елементів.
