Многослойные воксели помогут создать метаматериал с заданными свойствами

Исследователи разработали программную среду, которая позволяет упростить создание метаматериалов с заданными свойствами. Пользователю нужно лишь задать составные материалы и желаемые свойства, после чего система сама создаст из многослойных вокселей микроструктуру с такими характеристиками, говорится в работе, опубликованной в журнале Science Advances. Работу системы авторы протестировали с помощью 3D-печати материалов-ауксетиков.

Одно из главных преимуществ 3D-печати перед обычными способами производства заключается в том, что с ее помощью можно создавать предметы, в которых комбинируется множество разных микроструктур и материалов. Поэтому ученые и инженеры разрабатывают методы, позволяющие менять свойства предметов за счет внутренней структуры, а не изменения самой конструкции.

Исследователи под руководством Войцеха Матусика (Wojciech Matusik) из Массачусетского технологического института разработали метод полуавтоматического создания микроструктур с заданными свойствами. Новая работа авторов основана на более раннем исследовании, которое они опубликовали в середине прошлого года. Теперь авторы представили доработанную версию этого метода, состоящую из нескольких основных этапов, и программное обеспечение, реализующее этот метод на практике.

В качестве входных данных программа получает два материала. Для примера исследователи предложили использовать жесткий и мягкий материал или вовсе жесткий материал и пустое пространство. После этого она вычисляет воксели с разными возможными структурами и соотношением материалов, и симулирует их свойства. Таким образом получается пространство вокселей с разными свойствами. Затем алгоритм разбивает полученное пространство на группы структур, которые немного отличаются по структуре, но в целом топологически похожи.

После того, как программа получила семейства похожих структур, она преобразует каждое из них в единое аналитическое представление с десятками параметров, такими как толщина линии или угол между линиями. Преимущество такого подхода заключается в том, что имея математическое представление структуры ее можно растеризовать под разные параметры, к примеру, под разрешение 3D-принтера. Затем система создает на основе десятков параметров, полученных на предыдущем этапе, основные приведенные параметры, варьируя которые пользователь может легко менять свойства структуры.

Исследователи продемонстрировали работу метода, создав с его помощью несколько ауксетиков — материалов, которые при растяжении вдоль также увеличиваются в поперечном направлении, а не сужаются, как происходит с большинством материалов.

Авторы работы отмечают, что они концентрировались на механических свойствах материалов, но их метод можно использовать и для создания материалов с другими заданными свойствами, для которых есть методы моделирования и предсказания свойств на основе структуры. Они считают, что метод можно адаптировать для открытия новых материалов с необычными оптическими, акустическими, магнитными или другими свойствами.

В прошлом году исследователи создали новый метаматериал с необычными свойствами. В отличие от обычных упругих материалов, его жесткость при увеличении длины не уменьшается, а увеличивается.

Григорий Копиев