Суперрезина: новый материал поглощает и высвобождает огромное количество энергии
Новый метаматериал чем-то похож на резину, однако может поглощать несравнимо больше энергии и, при необходимости, молниеносно её высвобождать.
Команда учёных из Массачусетского университета в Амхерсте разработала новый материал, напоминающий по своим физическим свойствам каучук. Исследователи заявляют, что он обладает удивительными свойствами.
Этот материал может поглощать и выделять очень большое количество энергии. И эта функция программируется под конкретную задачу.
Новый материал в перспективе сможет увеличить мощность роботов без необходимости в подпитке их дополнительной энергией, а также использоваться в составе шлемов и прочих защитных приспособлений, чтобы те гораздо быстрее рассеивали энергию, полученную при ударе.
"Представьте себе резиновую ленту, – рассказывает старший автор работы Альфред Кросби (Alfred J Crosby), профессор Массачусетского университета в Амхерсте. – Вы натягиваете её, отпускаете, и она летит через всю комнату. Теперь представьте суперрезиновую ленту. Когда вы растягиваете её до определённой длины, вы активируете дополнительную энергию, запасённую в материале, и [такая лента] сможет пролететь больше километра".
Именно такая "суперрезиновая лента" была создана учёными из нового метаматериала — вещества, обладающего свойством, не встречающимся в природных материалах. Он сделан из эластичного, похожего на резину вещества с встроенными в него крошечными магнитами.
Этот новый "эластомагнитный" материал использует физическое свойство, известное как фазовый переход, чтобы значительно увеличить количество энергии, которое материал может запасать и высвобождать.
Эластичный материал со встроенными магнитами, полюса которых окрашены красным и синим. Ориентация магнитов в разных направлениях регулирует свойства материала.
Фото University of Massachusetts Amherst.
Фазовым переходом (или фазовым превращением) называется переход материала из одного состояния в другое: будь то вода, превращающаяся в пар, или кристаллы йода, "испаряющиеся" на воздухе и превращающиеся сразу из твёрдых кристаллов в газ. Всякий раз, когда материал переходит в новую фазу (газообразную, твёрдую или жидкую), энергия либо высвобождается, либо поглощается. Впрочем, фазовые превращения не ограничиваются лишь переходами между жидким, твёрдым и газообразным состояниями: переход может происходить из одной твёрдой фазы в другую. Так, физикам известно более десятка модификаций водяного льда, и они продолжают находить новые фазы этого привычного всем вещества.
Фазовое превращение можно использовать как источник энергии, но трудной задачей всегда являлось получение (запасания) достаточного количества энергии.
"Чтобы усилить высвобождение или поглощение энергии, необходимо разработать новую структуру на молекулярном или даже атомном уровне", – отметил Кросби.
Однако это сложно сделать, и ещё труднее сделать это предсказуемым образом. Но, используя метаматериалы, учёные преодолели эту трудность и не только создали новые материалы, но и разработали алгоритмы проектирования, которые позволяют заранее "программировать" эти материалы, делая свойства конечного материала предсказуемыми.
Команда вдохновлялась некоторыми молниеносными реакциями, наблюдаемыми в природе: захлопыванием венериных мухоловок и "челюстей-ловушек" некоторых видов муравьёв.
Челюсти-пружины помогают муравьям ускакать от врага читайте также
Исследователи пишут, что использовали этот природный механизм, но подняли его на новый технологический уровень.
"Встраивая крошечные магниты в эластичный материал, мы можем контролировать фазовые переходы этого метаматериала. А поскольку фазовое превращение предсказуемо и воспроизводимо, мы можем спроектировать метаматериал так, чтобы он делал именно то, что нам нужно: либо поглощал энергию от сильного воздействия, либо высвобождал большое количество энергии для взрывного движения" – рассказывает ведущий автор работы Сюйдун Лян (Xudong Liang), профессор Харбинского технологического института в Шэньчжэне (HITSZ) в Китае.
Это исследование проводилось при поддержке Исследовательской лаборатории армии США и Исследовательского бюро армии США, а также китайского HITSZ. Новый материал, как ожидается, будет применяться в ситуациях, где требуются либо мощные удары, либо молниеносная реакция.
Работа с описанием метаматериала была опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
К слову, ранее мы писали о новом прозрачном материале, который защитит гаджеты от ударов, а также о материале, который заряжается от человеческого пота.
Кроме того, мы рассказывали о новом материале, который невозможно разрезать.
Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".