Учени от MIT създадоха уникален свръхздрав метаматериал

Инженери от Масачузетския технологичен институт (MIT) са създали уникален метаматериал, който съчетава на пръв поглед несъвместими свойства: висока якост и изненадваща еластичност. Резултатите от изследването са публикувани в престижното научно списание Nature Materials.

Метаматериалите са специален клас изкуствено създадени вещества, чиито необичайни характеристики не се дължат на химическия състав, а на фината им вътрешна архитектура.

На микроскопично ниво те се състоят от множество повтарящи се елементи, организирани в сложни триизмерни модели. Досега учените се стремяха да създават структури, които са възможно най-твърди и твърди, но този подход имаше съществен недостатък: увеличаването на здравината неизбежно води до увеличаване на крехкостта.

Екипът, ръководен от професор Карлос Портела намери начин да преодолее това ограничение. Вместо традиционните решетъчни структури те разработиха принципно нова схема, която съчетава два различни вида микроскопични елементи. Основата е триизмерна рамка от прави пръти и напречници, около която се извива сложна система от спирални влакна, наподобяваща плетеница от нишки.

Първите образци са произведени с помощта на високопрецизна технология за двуфотонна литография, която позволява отпечатването на части с размер едва няколко микрона. Базовият материал е акрилен полимер със свойства, подобни на тези на плексигласа. В нормално състояние той е твърд и почти неразтеглив, но при напукване се разцепва мигновено.

Идеята за двойна структура хрумва на изследователите след изучаване на хидрогеловете – подобни на желе вещества, в които твърдите и меките молекулярни вериги се преплитат, създавайки материал, който е едновременно здрав и еластичен. Пренасяйки този принцип на микроархитектурно ниво, екипът получава просто изумителни резултати.

Тестовете на специална наномеханична преса показаха, че новият материал е в състояние да се разтяга 3 пъти повече от първоначалната си дължина, което е 10 пъти повече от стандартните решетъчни структури, изработени от същия полимер. При разтягане твърдите рамкови елементи започват да се разрушават, но не се разпадат благодарение на заобикалящите ги спираловидни влакна. Нещо повече, при натоварване тези влакна се преплитат още по-силно, като създават допълнително триене и разсейват енергията на удара.

Още по-изненадващ ефект е открит, когато учените умишлено създават микроскопични дупки в структурата на материала. Противно на очакванията, изкуствените „дефекти“ значително подобрили свойствата му.

Както обяснява съавторът на изследването Джеймс Утама Сурджади, дупките помагат и за по-равномерното разпределение на натоварването в целия обем. В резултат на това еластичността се е удвоила, а способността за поглъщане на енергия преди счупване – утроила.

За да се приложи разработката на практика, е създаден компютърен модел, който предсказва поведението на метаматериалите в зависимост от конфигурацията на вътрешната им структура. Този инструмент ще помогне на инженерите да проектират свръхздрави тъкани и покрития с определени характеристики.

Като цяло новият принцип може да се прилага за различни вещества – от керамика и стъкло до метали. В бъдеще изследователите планират да „надарят“ такива структури с допълнителни функции. Например, ако се направи рамка и се оплетат влакна от различни полимери с различна реакция към температурата, може да се получи „умна“ тъкан, която автоматично ще става по-твърда на студено и по-гъвкава на топло.

Методът може да се използва за създаване на гъвкави полупроводници за електрониката, защитни опаковки за крехки компоненти и еластични рамки за отглеждане на живи тъкани в регенеративната медицина. Вероятно откритието на Масачузетския технологичен институт не просто е разширило границите на известната наука – то е поставило основите на цяло направление в материалознанието.