Ученые из Китая, США и Германии, работающие в составе международной группы, создали метаматериал, обладающий высокой способностью к накоплению механической энергии. Благодаря своей конструкции — спирально скрученных гибких стержней, способных к деформации — материалу удалось получить уникальные свойства.
Изначально исследователи разработали метод хранения значительного объема энергии в компактном цилиндрическом элементе, не нарушая его целостность и без деформации. После этого механизм был адаптирован для увеличения масштаба, и с помощью компьютерного моделирования были определены характеристики нового материала, обладающего высокой жесткостью. Это позволяет ему поглощать больше энергии в процессе деформации. Более высокая жесткость соответствует большей силе упругости.
Аналогично тому, как сжатая пружина накапливает потенциальную энергию, функционирует и разработанная исследователями технология. Однако существует важное различие. В обычной пружине напряжения внутри незначительны, тогда как на концах наблюдаются слишком высокие значения, что может привести к разрушению. Исследователи выяснили, что скручивание стержня приводит к возникновению высоких напряжений на его поверхности, что обеспечивает более равномерное распределение нагрузки.
Метаматериалы – это композитные материалы, физические характеристики которых определяются не химическим составом, а пространственной организацией. Такие материалы не существуют в природе, а создаются из компонентов, выбранных по определенным параметрам.
Этот композитный материал, разработанный международной группой ученых, относится к категории хиральных метаматериалов. Хиральность подразумевает свойство объекта не иметь зеркального отображения. Это можно сравнить с руками человека: правую ладонь невозможно повернуть таким образом, чтобы она выглядела как левая.
Испытания, проведенные научной группой, продемонстрировали многообещающие свойства разработанной модели. В сравнении с другими известными искусственными структурами, материал обладает в 5–10 раз большей прочностью на изгиб – то есть способностью выдерживать деформацию при нагрузке, в 2–32 раза большей энергией массы (в пределах прочности материала) и в 2–160 раз энтальпию. Это указывает на его способность запасать значительно больше упругой энергии и возвращать первоначальную форму после деформации.
По мнению авторов научной работы, дальнейшее повышение производительности материала возможно благодаря более плотной структуре отражающих элементов хиральных структур. Потенциально применять его можно будет в тех областях, где требуются эффективное энергосбережение и исключительные механические свойства, от легких и миниатюрных конструкций до промышленных установок. Пружинное накопление энергии требуется, например, в демпферах или низкочастотных виброизоляторах, а гибкие соединения — в робототехнике.
Научная статья опубликована в журнале Nature.