Специалисты Томского государственного университета (ТГУ) и Института физики прочности и материаловедения СО РАН выяснили, что сжатие ячейки метаматериала с тетрахиральной структурой, в которой элементарная ячейка состоит из кольца и четырех связок (ребер), создает особое искажение и делает материал жестче.
Это открытие может помочь ученым разрабатывать энергопоглощающие устройства, а также точнее подбирать области применения метаматериалов, ориентируясь на их уникальные свойства. Исследование проводили сотрудники кафедры механики деформируемого тела физико-технического факультета ТГУ Линар Ахметшин и Кристина Иохим, а также научный сотрудник ИФПМ СО РАН Александр Еремин.
Метаматериалы — это искусственно созданные материалы, уникальные свойства которых связаны с их геометрической структурой, а не с химическим составом основного материала. Их нельзя встретить в природе, но можно создать искусственно. Результаты исследования опубликованы в журнале Acta Mechanica Sinica (Q1).
По словам Линара Ахметшина, изучение метаматериалов — актуальное направление в материаловедении. Управлять свойствами метаматериала возможно, изменяя его внутреннюю структуру. В работе томских ученых рассматривались две ячейки: с регулярной структурой и с топологическим дефектом (искусственным изменением хиральности грани кубической ячейки, где хиральность — это свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отображением).
Проведя анализ научных публикаций, исследователи обратили внимание, что топологические дефекты (преобразования) используются в двумерных структурах метаматериалов, и решили провести эксперимент — ввести топологический дефект в трехмерную ячейку.
«Мы наблюдали за поведением кубической ячейки метаматериала с тетрахиральной структурой. При сжатии тетрахиральная структура скручивается из-за наличия кольца. Так, мы уделили особое внимание повороту сечения ячейки. Поворот в наивысшей части был равен 0,84°. Тетрахиральная структура ячейки является правосторонней. Мы заменили в регулярной ячейке нижнюю грань на левостороннюю структуру и увидели, что угол поворота уменьшился на 30%. Этот поворот — уникальное свойство, в природе нет таких материалов, при сжатии которых они бы поворачивались», — пояснил Линар Ахметшин.
Ученые напечатали образцы ячеек метаматериала и изготовили платформу, которая позволила увидеть поворот образца при нагружении. Испытания проводились на одноосное сжатие ячеек.
«Мы взяли две ячейки с эквивалентной массой, но с разным строением, и получили заметные различия в свойствах. Мы обнаружили, что значение силы в ячейке с топологическим дефектом выше — ячейка выдерживала более высокие нагрузки (на 20%) при том же уровне смещения, — рассказал Линар Ахметшин. — Это указывает на то, что ячейка с дефектом более жесткая, чем ячейка без него».
Ученый отметил, что благодаря полученным различиям в свойствах ячеек в дальнейшем можно будет создавать множество структур с широким спектром характеристик — более податливых или, наоборот, устойчивых к внешним воздействиям, например к энергетическим волнам.
Таким образом, исследование ТГУ и ИФПМ СО РАН дает новое фундаментальное знание в работе с метаматериалами и может облегчить практическое применение их уникальных свойств. Оно также поможет в разработке энергопоглощающих устройств, создании интеллектуальных развертываемых антенн и механических регулируемых стентов.
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
Фото предоставил Линар Ахметшин
