Систему шестерен превратили в метаматериал

Гексагональная система шестерен: «мягкая», деформирующаяся часть показана слева.

Credit: Leiden Institute of Physics

Ученые Лейденского университета создали новый метаматериал из шестеренок: полученная конструкция допускает деформацию с одной стороны и жестко держит структуру с другой, причем эти свойства сохраняются даже при наличии производственных дефектов компонентов системы. Работа опубликована в журнале Physical Review X.

По словам ученых, на создание нового метаматериала их вдохновила работа об электронных топологических изоляторах (отмеченная Нобелевской премией по физике за 2016 год), которые обеспечивают электропроводность на поверхности, но изолированы изнутри. Вместо электрических свойств ученые обратили внимание на механические свойства — жесткость и подвижность, и фактически получили механический аналог нобелевского топологического изолятора.

Если две шестеренки соединить друг с другом, то вращение одной из них по часовой стрелке будет вызывать вращение другой против часовой. А если к ним добавить еще одну шестеренку, то полученная система станет неподвижной — шестеренки не смогут вращаться ни в одном из направлений. Лейденские физики Анн Миуссен и Джейсон Паулюс разработали сложную конструкцию из шестеренок, которая допускает подвижность с одной стороны, но жестко зафиксирована с другой: на видео ниже видно, что с одной стороны систему можно «смять», в то время как внутри и с другой стороны она сохраняет жесткость.


Credit: Anne S. Meeussen, Jayson Paulose, and Vincenzo Vitelli / Universiteit Leiden

Механические системы с похожими свойствами рассматривались и раньше, однако, они были неустойчивыми к внешним воздействиям. В отличие от них, структура из шестеренок, состоящая из шестигранных ячеек, оказалась стабильна: степени свободы вращения и сдвига каждого узла обеспечивают систему топологическими характеристиками, которые допускают деформацию только с одной стороны решетки.

Ученые считают, что новый материал может использоваться во многих механических устройствах, например в часах (и удешевить таким образом их производство) или спутниковых трекерах, которые имеют в своей основе шестереночные механизмы.

Надежда Бессонова


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.