Физики из Института AMOLF (Нидерланды) и Университета Техаса разработали механический метаматериал, способный смещаться под действием механических нагрузок только в одну сторону и блокировать смещение в другую сторону. Это один из первых примеров системы нарушающей взаимность механических процессов при статических нагрузках. Авторы предполагают, что такие материалы могут найти применение в поглощении механической энергии — от удара или других процессов. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета Техаса.

Многие физические процессы устроены так, что идут одинаково хорошо как в одну, так и в другую сторону. К примеру, если из точки А можно передать лазером сигнал в точку Б, то и можно передать и обратный сигнал аналогичным лазером. В механике можно обнаружить сходнуюситуацию — если под действием нагрузки в точке А системы сместилась точка Б, то обратное действие на точку Б сместит точку А.

Изменения положения фрагментов материала под действием нагрузок. Corentin Coulais et al. / Nature, 2017

Такая взаимность процессов может быть нарушена в ряде случаев. Например, работа диода в цепи электрического тока делает невозможным протекание тока в одном из направлений. Похожие устройства существуют для акустических и оптических волн. Как отмечают авторы новой работы, все эти ситуации относятся к динамическим процессам — поля соответствующих сил в ходе эксперимента меняются со временем. Новый материал делает возможным нарушение взаимности в статических условиях постоянной нагрузки.

Разработка физиков относится к метаматериалам— средам, в которых свойства определяются в первую очередь структурой, а не химическим строением (выбором веществ). Первый материал напоминал собой по форме скелет рыбы, сделанный из резины. Все «ребра» крепились одной стороной к «позвоночнику», другой — к неподвижным боковым полосам. Ключевым для свойств материала было то,что «ребра» выходили из «позвоночника» не перпендикулярно, а под углом. Когда ученые тянули за «позвоночник» с той стороны, куда были «выгнуты» ребра, материал лишь испытывал небольшую деформацию. В ситуации, когда напряжение прикладывалось к другому концу «позвоночника», ребра выгибались — смещение материала в целом оказывалось значительным. Этот материал можно назвать одномерным.

Метаматериал — «скелет рыбы». Corentin Coulais et al. / Nature, 2017

На его основе физики создали еще один подобный материал. По своему внешнему виду он напоминает несколько склеенных между собой ромбов. Как отмечают авторы, в нем разница между механическими свойствами в прямом и обратном направлении еще больше.

«Материал в целом ведет себя асимметрично — с одной стороны он очень мягкий, с другой — очень жесткий»— описывает конструкцию Димитриос Соунас, соавтор работы. Напряжение,прикладываемое с мягкой стороны, заставляет квадраты легко крутиться, в результате противоположная сторона почти не смещается. Давление на твердую сторону, наоборот, приводит к сильному смещению мягкой стороны.

Двумерный метаматериал и его механические свойства (отклик на сжатие). Corentin Coulais et al. / Nature, 2017

Среди возможных применений материалов — эластичные элементы для робототехники, протезирования и запасания энергии. Кроме того, подобные среды могут эффективно подавлять вибрации или механическую энергию от столкновений.

Ранее мы сообщали о похожем метаматериале, разработанном физиками из Лейденского университета. Вместо эластичных конструкций в нем используются шестеренки, связанные определенным образом. 

Автор: Владимир Королёв