Создан упругий метаматериал, жесткость которого повышается с увеличением длины его образца. Такое свойство кажется контринтуитивным: обычный эластичный материал (например, резина) при большей длине образца растягивается сильнее, чем при меньшей. Отчет о разработке опубликован в журнале Nature Physics.

Метаматериалами называют искусственные материалы, свойства которых в первую очередь определяются не химическим строением, а особой структурой. Благодаря этому они могут обнаруживать совершенно нетипичные для природных аналогов свойства, например оптические, как в случае с плащом-невидимкой. Существуют также метаматериалы с необычными механическими свойствами, к примеру ауксетики, которые при продольном растяжении увеличиваются и в ширину.

Нидерландские исследователи давно занимаются созданием макроскопических метаматериалов с необычными механическими свойствами. Недавно они создали механический «диод» — материал, способный смещаться под действием механических нагрузок только в одну сторону и блокировать смещение в другую. Он состоит из многоугольников, соединенных так, чтобы они могли поворачиваться при приложении к материалу внешней силы.

В своей новой работе ученые использовали похожую конструкцию. Их новый материал представляет собой набор из квадратных сегментов, напечатанных на 3D-принтере и соединенных между собой небольшими перемычками. По такой схеме разработчики создали несколько образцов с разным количеством сегментов — и обнаружили у них необычные свойства.

Необычные упругие свойства материала. Kadic et al. / Nature Physics, 2017 (ассоциированная статья)

Если взять два образца из материала с обычными упругими свойствами — один в два раза короче другого — и повесить на длинный образец груз одной массы, а на короткий — в два раза большей массы, то растяжение обоих образцов будет одинаковым. В новом метаматериале наблюдается другое поведение. При увеличении длины образца, которую в данном случае можно описать количеством сегментов, его жесткость повышается.

Поскольку сегменты материала соединены перемычками, то при растяжении или сжатии они двигаются согласованно, поворачиваясь попарно. Ученые обнаружили, что по мере отдаления от границы материала угол поворота сегментов снижается, из-за чего материал приобретает свои необычные упругие свойства. Исследователи вывели характеристическую длину, зависящую от количества сегментов материала и определяющую его механические свойства.

Ученые экспериментируют и с другими характеристиками новых материалов. Так, в начале 2017 года американские физики создали метаматериал, геометрическая структура которого позволяет достичь теоретически рассчитанного верхнего предела упругости для композитных материалов.

Автор: Григорий Копиев