MIT и Northeastern создали метаматериалы из сети балок разных размеров: анизотропия меняется в 190 раз

Команда из MIT и Northeastern University предложила новый способ проектирования механических метаматериалов: вместо повторяющихся одинаковых ячеек используются сетевые структуры. Работа опубликована в журнале Nature в открытом доступе; первоисточник — статья на doi.org. nature.comdoi.orgnature.comОткрыть источник ↗ Авторы называют такие материалы «масштабно-богатыми» (scale-rich) сетями.

Обычные метаматериалы строят из одной элементарной ячейки, поэтому размеры пор, толщины и длины связей в них однородны или принимают несколько дискретных значений. Авторы отмечают, что сети в природе, например интернет и мозг, сильно неоднородны по связности и длине связей.

Сетевой дизайн по образцу природы

Авторы приводят биологические примеры. Длина жилок в крыле стрекозы — от 0,1 мм до примерно 50 мм. Жилкование листьев охватывает диапазон от около 10^-1 мм до 10^3 мм, а нити паутины — от около 1 мм до 10^3 мм. В кости стержневые и пластинчатые элементы имеют длину примерно от 100 до 1500 мкм и толщину примерно от 40 до 400 мкм.

В масштабно-богатых метаматериалах длина, толщина и связность балок в одной структуре различаются на порядки. nature.comdoi.orgnature.comОткрыть источник ↗ Дизайн задаётся всего двумя параметрами. Алгоритм генерирует сеть микроструктур под нужное свойство.

Свойства в расчётах и экспериментах

Расчёты и эксперименты показали свойства, которых не давали системы с одним масштабом. По данным авторов, диапазон настройки упругой анизотропии при разных плотностях достигает 190 раз, деформация остаётся стабильной и нелокализованной при высоком поглощении энергии. Также сообщается об усиленном рассеянии энергии при динамической нагрузке и программируемом отклике на упругие волны.

В механических испытаниях новые материалы охватывали широкий диапазон жёсткости и лучше упорядоченных метаматериалов выдерживали резкие удары, говорится в пересказе MIT News. Они также амортизировали хрупкие предметы, встроенные внутрь. Кроме того, авторы вывели аналитическую модель, связывающую полную запасённую энергию с длиной, толщиной и степенью связности балок.

По словам исследователей, метод можно использовать для проектирования материалов, поглощающих удары, и акустических линз, микроструктура которых фокусирует звук или вибрации. «Это совершенно новый способ мышления для метаматериалов», — заявил автор работы Карлос Портела, доцент машиностроения MIT.