Ученым удалось разработать метод воздействия на характеристики материалов посредством звука. Специалисты из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Мичиганского университета и французского Национального центра научных исследований (CNRS) выяснили, что акустические колебания с определенной частотой позволяют удаленно корректировать свойства материала, что может привести к созданию приспособлений, способных гибко настраивать свою твердость.
Основной объект изучения для исследователей стали механические изломы – микроскопические дефекты, представляющие собой границы между различными внутренними состояниями внутри одного материала. Атомы или структурные элементы по обе стороны от такого излома могут быть одинаковыми, но их пространственное расположение отличается, что обуславливает существенные различия в механических характеристиках. Эти изломы играют важную роль в том, как материал начинает деформироваться, будь то изгиб металла или расщепление молекул ДНК.
Интерес материаловедов к управлению движением трещин обусловлен тем, что их смещение может кардинально преобразить свойства материала, создавая участки с различной степенью твердости. Тем не менее, точное воздействие на эти трещины до настоящего времени представляло собой серьезную проблему: в большинстве материалов они фиксируются энергетическими препятствиями, а предыдущие исследования демонстрировали, что звуковые колебания приводят к их хаотичному и непредсказуемому перемещению.
Команде исследователей во главе с Николасом Бёклером, профессором кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Школы инженерии Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, удалось обойти это препятствие. Им был разработан экспериментальный материал, который обладает редким и необычным свойством – для смещения точки разрушения не требуется затрат энергии. Добиться этого стало возможным благодаря разработке структуры материала, при которой его механические характеристики определяются внутренним строением, а не химическим составом.
В данной модели жесткость материала определяется положением излома: зона вокруг излома сохраняет мягкость, а жесткость возрастает с удалением от него. Сдвиг излома к одному из концов позволяет сделать одну сторону мягкой, а другую – жесткой, а размещение в центре дает возможность смягчить середину, сохраняя при этом жесткость краев.
По мнению Бёклера, это открытие можно сравнить с разработкой акустического «тягового луча», который позволяет смещать излом и изменять жесткость материала, создавая при этом управляемые градиенты этого свойства по необходимости. Отсутствие энергетических барьеров в используемом материале позволило исследователям перемещать излом не только стабильно, но и с высокой точностью, выполняя поэтапные корректировки.
Используя звуковые волны, распространяемые с одной стороны, ученые могли перемещать излом к источнику звука. Слабый акустический толчок незначительно сдвигает его, а каждый последующий импульс обеспечивает дальнейшее продвижение. Благодаря этому, исследователям удалось создать способ дистанционного воздействия на внутреннюю структуру материала.
Чтобы оценить жизнеспособность идеи, разработчики собрали полноразмерный макет, включающий в себя систему вращающихся дисков, связанных между собой пружинами. Каждый диск представлял собой атом, а пружины воспроизводили взаимодействие между атомами. Один из дисков, сконструированный определенным образом, выполнял роль дефекта. Звуковые колебания короткой длительности позволяли смещать этот дефект на несколько дисков в направлении источника звука. Повторяющиеся импульсы продвигали его постепенно, а вибрации увеличенной продолжительности распространяли дефект по всей конструкции, радикально изменяя соотношение сторон модели, определяющих ее мягкость и жесткость.
Полученные в ходе исследования данные указывают на возможность точного управления механическими изломами посредством звуковых колебаний. При этом, движение контролируется исключительно заданными частотами, а компьютерное моделирование подтверждает, что звуковые волны способны передавать необходимый импульс для перемещения излома, несмотря на их частичное отражение. Данное достижение открывает перспективные возможности для регулировки жесткости материалов и формирования их механических характеристик в соответствии с требованиями.