Новый метаматериал позволит производить эластичные керамику, стекло и металлы
Новый материал растягивается в 4 раза больше своей длины и в 10 раз гибче обычных полимеров.
MIT
Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали революционный метаматериал, который сочетает прочность керамики с эластичностью резины. Исследование, опубликованное в Nature Materials, обещает изменить производство материалов.
Метаматериалы — это искусственные структуры с микроскопическими узорами, придающими необычные свойства. Обычно материалы либо прочные, либо гибкие, но не оба сразу. Команда MIT под руководством Карлоса Портелы создала метаматериал из акрилового пластика, который преодолевает этот компромисс. Их секрет — двойная сетевая структура:
-
Жесткий каркас из стоек и ферм, как решетка.
-
Гибкая спиральная ткань, оплетающая каркас, словно пружина.
Эта конструкция, напечатанная с помощью высокоточной двухфотонной литографии, позволяет материалу растягиваться в 4 раза больше своей длины — в 10 раз гибче обычных полимеров. Добавление микроскопических отверстий удваивает растяжение и утраивает рассеивание энергии, делая материал еще прочнее. Новый материал, напечатанный в уникальной двойной сетевой структуре, открывает путь к гибким полупроводникам, прочным тканям и каркасам для восстановления тканей
«Мы объединили жесткие распорки и гибкие катушки, чтобы создать материал, который одновременно прочен и эластичен», — объясняет Портела.
Как работает новый метод?
Представьте материал как решетку, обернутую эластичными нитями, похожими на спагетти. Когда вы тянете, жесткий каркас сопротивляется, но если он трескается, гибкие нити распределяют напряжение, предотвращая разрыв. Микроотверстия действуют как амортизаторы, рассеивая энергию и повышая устойчивость. Это делает материал идеальным для ситуаций, где нужна и прочность, и гибкость, например, в электронике или медицинских имплантах.
Фото: MIT
Метаматериал (справа), который одновременно прочный и эластичный. Базовый материал (слева) обычно жесткий и хрупкий, но при печати в точных сложных узорах он образует материал с исключительными свойствами.
Тесты с наномеханическим прессом показали, что материал выдерживает нагрузки, которые разорвали бы обычный полимер. Видео высокого разрешения помогли понять, как структура деформируется, подтверждая ее уникальные свойства.
Это открывает возможности для:
-
прочных тканей для защитной одежды.
-
гибких полупроводников для носимой электроники.
-
каркасов для регенерации тканей в медицине.
-
упаковки электроники, устойчивой к ударам.
«Эта структура может быть применена к керамике, стеклу и металлам, создавая гибкие и прочные продукты», — отмечает Портела.
Новый метод вдохновлен мягкими гидрогелями, но применен к жестким материалам, что делает его универсальным. Команда также создала вычислительную модель, чтобы инженеры могли проектировать похожие материалы. В будущем такие метаматериалы могут стать основой для электроники, медицины и моды.
