Международная команда учёных из Китая, США и Германии создала материал с высокой способностью накапливать энергию благодаря своей структуре: скрученным гибким стержням, которые изменяют форму по спирали.
Вначале исследователи обнаружили способ накапливать много энергии в простом круглом стержне без разрушения и деформации. Позже механизм был увеличен, а с помощью компьютерных моделей предсказаны свойства нового материала, среди которых высокая жесткость, позволяющая поглощать больше энергии во время деформации. Чем выше жесткость — тем сильнее сила упругости.
Как сжатая пружина хранит потенциальную энергию, работает и новая технология. Главное отличие — в традиционной пружине напряжения внутри малы, а на концах большие, что приводит к разрыву. Ученые выяснили, что если скрутить стержень, то на его поверхности тоже будут высокие напряжения, нагрузка распределяться равномерно по всей поверхности.
В основе работы метаматериалов лежит принцип, где физические характеристики материала определяются не химическим составом, а пространственной организацией его компонентов. Такой материал не имеет аналогов в природе и изготавливается путем соединения специально подобранных элементов.
Разработанный группой ученых хиральный метаматериал — это вид композитного материала с особым свойством. Хиральность — это когда объект нельзя совместить с его зеркальным отражением.
Испытания научной группы подтвердили перспективные характеристики новой модели. По сравнению с другими искусственными структурами материал показал в 5-10 раз большую прочность на изгиб, то есть способность противостоять деформации под нагрузкой, в 2–32 раза большую эквивалентность энергии массе (в пределах прочности материала) и в 2–160 раз большую. энтальпиюЭто значит, что может хранить в десятки раз больше энергии и возвращать первоначальную форму после сжатия или растяжения.
Ученые обнаружили возможность повысить эффективность материала путём более плотной укладки зеркал. хиральных Его можно будет применять там, где необходимы энергосбережение и высокие механические свойства: от легких конструкций до промышленных установок. Пружинное накопление энергии применяется в демпферах и виброизоляторах, а гибкие соединения — в робототехнике.
Научная статья опубликована в журнале Nature.