Инженеры показали технологию «механической маскировки»

Коллектив ученых из США и Германии создал технологию для маскировки неоднородностей в конструкционных материалах. При помощи нового подхода можно получать структуры, имеющие посторонние включения, «незаметные» для внешних механических воздействий. Работа опубликована  в Proceedings of National Academy of Sciences.

Под маскировкой в физике часто понимают способность материала вести себя так, как будто он прозрачен для какого-то внешнего сигнала (света или звука, например), хотя на самом деле внутри него есть какие-либо непрозрачные объекты. Например, устройство для оптической маскировки может быть основано на том, что свет внутри материала расходится или огибает посторонние включения, после чего обратно сходится в такой же пучок, как и был на входе.

Авторы новой работы перенесли понятие маскировки на механические свойства материалов. Хорошо известно, что регулярная шестиугольная решетка (структура графена) и точно такая же решетка, но с отверстием посередине, по-разному распространяют механическое напряжение.

Ученые нашли способ, как создавать «дырки» в гексагональной решетке таким образом, чтобы характер распространения напряжений в ней не изменялся. Для этого исследователи воспользовались аналогией с электрической цепью: если сделать решетку из одинаковых резисторов, ее сопротивление будет зависеть только от мотива структуры (шестиугольники, квадраты, треугольники), но не от расстояний между соединениями.

В механической системе вместо резисторов авторы использовали упругие элементы — «пружинки». Они варьировали их длину и форму так, чтобы жесткость у всех элементов была одинаковой. При этом в середине решетки оставалась большая полость.

Для проверки своей концепции ученые использовали компьютерное моделирование и эксперимент с полимерными решетками, распечатанными на 3D принтере. Они прикладывали к решетке давление слева и справа и измеряли разницу напряжений на неповрежденной решетке, «обычной» решетке с отверстием и «модифицированной» решетке с таким же отверстием.

Оказалось, что среднее значение напряжения на модифицированной решетке отличается от невозмущенной на 20-50 процентов, тогда как для решетки с «обычной» дыркой эти значения составляют 700-2500 процентов.