Создан метаматериал-«диод» для механической нагрузки

Физики из Института AMOLF (Нидерланды) и Университета Техаса разработали механический метаматериал, способный смещаться под действием механических нагрузок только в одну сторону и блокировать смещение в другую сторону. Это один из первых примеров системы нарушающей взаимность  механических процессов при статических нагрузках. Авторы предполагают, что такие материалы могут найти применение в поглощении механической энергии — от удара или других процессов. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета Техаса.

Многие физические процессы устроены так, что идут одинаково хорошо как в одну, так и в другую сторону. К примеру, если из точки А можно передать лазером сигнал в точку Б, то и можно передать и обратный сигнал аналогичным лазером. В механике можно обнаружить сходную ситуацию — если под действием нагрузки в точке А системы сместилась точка Б, то обратное действие на точку Б сместит точку А.

Такая взаимность процессов может быть нарушена в ряде случаев. Например, работа диода в цепи электрического тока делает невозможным протекание тока в одном из направлений. Похожие устройства существуют для акустических и оптических волн. Как отмечают авторы новой работы, все эти ситуации относятся к динамическим процессам — поля соответствующих сил в ходе эксперимента меняются со временем. Новый материал делает возможным нарушение взаимности в статических условиях постоянной нагрузки.

Разработка физиков относится к метаматериалам — средам, в которых свойства определяются в первую очередь структурой, а не химическим строением (выбором веществ). Первый материал напоминал собой по форме скелет рыбы, сделанный из резины. Все «ребра» крепились одной стороной к «позвоночнику», другой — к неподвижным боковым полосам. Ключевым для свойств материала было то, что «ребра» выходили из «позвоночника» не перпендикулярно, а под углом. Когда ученые тянули за «позвоночник» с той стороны, куда были «выгнуты» ребра, материал лишь испытывал небольшую деформацию. В ситуации, когда напряжение прикладывалось к другому концу «позвоночника», ребра выгибались — смещение материала в целом оказывалось значительным. Этот материал можно назвать одномерным.

На его основе физики создали еще один подобный материал. По своему внешнему виду он напоминает несколько склеенных между собой ромбов. Как отмечают авторы, в нем разница между механическими свойствами в прямом и обратном направлении еще больше. «Материал в целом ведет себя асимметрично — с одной стороны он очень мягкий, с другой — очень жесткий» — описывает конструкцию Димитриос Соунас, соавтор работы. Напряжение, прикладываемое с мягкой стороны, заставляет квадраты легко крутиться, в результате противоположная сторона почти не смещается. Давление на твердую сторону, наоборот, приводит к сильному смещению мягкой стороны.

Среди возможных применений материалов — эластичные элементы для робототехники, протезирования и запасания энергии. Кроме того, подобные среды могут эффективно подавлять вибрации или механическую энергию от столкновений.

Ранее мы сообщали о похожем метаматериале, разработанном физиками из Лейденского университета. Вместо эластичных конструкций в нем используются шестеренки, связанные определенным образом. 

Владимир Королёв