Новое исследование показывает, что материалы «запоминают» предшествующие напряжения и внешние силы, которые затем ученые и инженеры могут использовать для создания новых материалов с уникальными свойствами, пишет eurekalert.org со ссылкой на Science Advances.

Новое исследование обнаружило, что некоторые типы материалов имеют «память» о том, как они обрабатывались, хранились и использовались. Затем исследователи могут использовать эту память, чтобы контролировать старение материала и кодировать конкретные свойства, которые позволяют ему выполнять новые функции. Этот творческий подход к разработке материалов стал результатом совместной работы Андреа Лю Пенна, Сидни Р. Нагеля, Нидхи Пашин и Даниэля Хекснера из Чикагского университета.

Лю и Нагель много лет вместе работали над физикой неупорядоченных систем. В отличие от упорядоченных систем, которые имеют систематические и повторяющиеся структуры, неупорядоченные системы структурированы случайным образом. Наглядным примером является естественная стена, сделанная из плотно упакованной грязи, где отдельные частицы не аккуратно сложены, а слипаются вместе, образуя жесткую структуру. Исследователи заинтересованы в этих системах, потому что их случайность позволяет им легко превращаться в новые механические метаматериалы с уникальными механическими свойствами.

Одно важное свойство, которое ученые, работающие с материалами хотели бы контролировать, – это то, как материал реагирует, когда применяется внешняя сила. Когда большинство материалов растягиваются в одном направлении, они сжимаются перпендикулярно, а при сжатии расширяются перпендикулярно, как резиновая полоска – при растяжении они становятся тонкими, а при сжатии становятся толще.

Материалы, которые делают противоположное – сокращаются перпендикулярно при сжатии и становятся толще при растяжении, известны как вспомогательные вещества. Эти материалы встречаются редко, но предполагается, что они лучше поглощают энергию и более устойчивы к разрушению. Исследователи заинтересованы в создании ауксетических материалов, чтобы помочь улучшить функцию материалов, которые, помимо прочего, могли бы поглощать удары.

В этом исследовании ученые хотели выяснить, могут ли они использовать «память» неупорядоченного материала о предыдущих стрессах, с которыми он сталкивался, чтобы превратить материал в нечто новое. Во-первых, они провели компьютерное моделирование нормальных материалов под давлением и выборочно изменили атомные связи, чтобы увидеть, какие изменения могут сделать материал ауксетическим. Они обнаружили, что, разрезая связи вдоль областей с наибольшим внешним напряжением, они могут в цифровой форме создавать ауксетический материал.

Используя это понимание, команда взяла материал, похожий на пенополистирол, и добавила «память», позволив материалу выдерживать определенные нагрузки. Чтобы сделать материал ауксетическим, они оказывали постоянное давление на материал и позволяли ему стареть естественным путем.

«Под давлением всего этого он сам себя приспособил. Он превратился из обычного материала в механический метаматериал», – говорит Лю.

Этот невероятно простой и эффективный процесс является шагом на пути к «святому Граалю» в области материаловедения, который позволяет создавать материалы с определенными структурами на атомном уровне без необходимости в оборудовании с высоким разрешением или модификациях на атомном уровне. Подход, описанный в этой статье, требует лишь немного терпения, пока система набирает «память», а затем стареет естественным образом.

Лю говорит, что это «совершенно другой» способ думать о создании новых материалов.

«Вы начинаете с неупорядоченной системы, и, если вы прикладываете правильные усилия, вы можете получить те свойства, которые вам нужны», – говорит она.

Эта работа также имеет сильную связь со структурами в биологии. Органы, ферменты и филаментные сети являются естественными примерами неупорядоченных систем, которые трудно воссоздать синтетически из-за их сложности. Теперь исследователи могут использовать этот более простой подход в качестве отправной точки для создания сложных структур.

Нагель с оптимизмом смотрит в будущее. «В дополнение к созданию ауксетических материалов, – говорит он, – мы также использовали компьютер для точного механического управления удаленными частями материала, применяя локальные напряжения. Это также вдохновлено биологической активностью. Теперь нам нужно выяснить, может ли это сработать со старым материалом в лабораторных условиях».

«Возможности на данном этапе кажутся безграничными, – говорит Нагель. – Только в результате дальнейших теоретических исследований и экспериментов мы начнем понимать, каковы ограничения этой новой концепции дизайна материалов».