Полимер с памятью формы превратили в метаматериал с управляемой жесткостью

Исследователи создали новый метаматериал, у которого можно изменять его форму и жесткость, причем при нагревании параметры возвращаются к исходным значениям. Результаты описаны в журнале Materials Horizons.

Метаматериалы — это вещества, свойства которых определяются в первую очередь не молекулярным составом, а структурой. Исследователи научились создавать метаматериалы с различными свойствами. Существуют необычно взаимодействующие со светом оптические метаматериалы. Они могут, например, искривлять траектории лучей в обход определенных областей или фокусировать излучение, являясь при этом плоским телом с малыми размерами. Другой класс — это механические метаматериалы. В частности, ученые создали объект, который скручивается в ответ на сжатие, что невозможно для стандартных веществ.

Однако у абсолютного большинства метаматериалов свойствами управлять нельзя, они остаются фиксированными после производства. В последнее время появилась тенденция преодоления этого ограничения. Например, одна группа ученых наполнила полости в метаматериале жидкостью, густеющей в зависимости от приложенного магнитного поля. Это позволяет менять свойства объекта, но на масштабах не меньше неоднородности создаваемого поля и в ограниченном диапазоне: так, например, жесткость представленной разработки увеличивалась лишь на 35 процентов, что для многих приложений является незначительным изменением.

Такой подход к созданию объектов с изменяемыми свойствами называется четырехмерной печатью. Он состоит в добавлении к ставшим уже стандартным приемам аддитивных технологий возможность реагировать на внешние условия: температуру, влажность, магнитное поле или что-нибудь другое. В работе под руководством Ховона Ли (Howon Lee) из Ратгерского университета в США использовали для 4D-печати методом проекционной микростереолитографии полимер с памятью формы, то есть вещество, которое при нагревании возвращается к первоначальной форме. В результате становится возможна геометрическая перестройка, значительно меняющая механические свойства, причем этом изменение сохраняется вплоть до следующего нагревания.

Авторы продемонстрировали настройку свойств на примере более чем стократного изменения жесткости вещества при нагреве от 30 до 90 градусов: при комнатной температуре распечатанная структура оставалась в сложенном виде после сдавливания, а при нагревании конструкция расправлялась. Также ученые изготовили структуры, выдерживающие вес в 300 раз больше собственного и показали, что они сохраняют механические параметры при перестройке, например, изгибании в виде буквы Г, которое опять же можно бесследно исправить нагревом.

Потенциально у подобных материалов может быть масса применений. В частности, их можно использовать при создании самолетов или дронов, крылья которых должны менять форму. Также из них можно сделать вспомогательные конструкции на космодромах, которые удерживают космические ракеты перед запуском. Еще одно возможное применение — раскрываемые в космосе части аппаратов, такие как крупные зеркала телескопов, защитные экраны или солнечные панели. Изменяемые механические свойства могут пригодиться и при создании роботов. Например, в случае движения по узким и извилистым туннелям изменение жесткости может оказаться полезным.

Область создания метаматериалов является очень активной. В частности, в последние годы ученые получили переключаемые магнитным полем, обладающие необычными упругими свойствами и даже квантовые метаматериалы.