Учёные из Калифорнийского технологического института создали новый тип материи, который они назвали поликатенативными архитектурными материалами (PAMs). Эта новая материя не встречается в природе и использует конструкцию, похожую на кольчугу, с переплетёнными кольцами вместо фиксированных частиц, которые обычно встречаются в кристаллических структурах.
Благодаря своей "не совсем жидкой, не совсем твёрдой" природе, PAMs особенно хорошо рассеивают энергию, что может сделать их подходящими для защитного снаряжения или материалов для мягкой робототехники.
Кольчуга – снова в моде
Если вы думаете, что кольчуга – это что-то из далёкого средневековья, то вы ошибаетесь. Она переживает своеобразный ренессанс в науке.
Недавно учёные из Северо-Западного университета разработали молекулярную кольчугу из механических полимерных связей. А теперь команда из Caltech создала форму материи, которую сложно однозначно отнести ни к твёрдым телам, ни к жидкостям. Это что-то среднее, и называется это PAMs. Если объяснять простым языком, это множество взаимосвязанных звеньев, структурированных подобно кольчуге.
Преимущества PAMs
PAMs сочетают в себе преимущества твёрдых тел и жидкостей. Они могут реагировать на широкий спектр нагрузок, что открывает большие перспективы для создания:
- Защитных материалов: шлемы, прокладки и другие виды защиты.
- Биомедицинских материалов: для имплантов и других медицинских устройств.
- Робототехники: для создания мягких и гибких роботов.
Как это работает?
"PAMs – это действительно новый тип материи", – говорит Кьяра Дарайо, ведущий автор исследования. "Мы привыкли чётко разделять твёрдые материалы и сыпучие вещества. Твёрдые тела часто описываются как кристаллические решетки […]. Сыпучие материалы состоят из отдельных частиц, которые могут свободно двигаться и скользить относительно друг друга".
Для создания PAMs, команда Дарайо сначала смоделировала их на компьютере, воссоздав структуру, похожую на кристаллическую. Но вместо фиксированных частиц, которые обычно используются в таких структурах, они использовали "переплетённые кольца или клетки с множеством сторон".
Затем, используя 3D-печать, команда создала структуры из акриловых полимеров, металлов и нейлона. После этого они подвергли эти объекты различным видам нагрузок.
Испытания на прочность
"Мы начали со сжатия", – говорит Венджи Чжоу, ведущий автор исследования. "Мы сжимали объекты всё сильнее и сильнее. Затем мы применили простой сдвиг – боковую силу, как если бы мы пытались разорвать материал. Наконец, мы провели реологические испытания, наблюдая за тем, как материалы реагируют на скручивание, сначала медленно, а затем всё быстрее и сильнее".
Когда PAMs подвергались сдвиговому напряжению, они вели себя как жидкости, из-за скоординированных степеней свободы, предоставляемых их структурой, похожей на кольчугу. Но при сжатии они вели себя больше как твёрдые тела.
Рассеивание энергии
Благодаря своей уникальной структуре, PAMs особенно хорошо рассеивают энергию. "Каждый элемент может скользить, вращаться и реорганизовываться относительно друг друга", – говорит Дарайо.
Уникальные свойства кольчуги известны человечеству уже 2000 лет, но только сейчас учёные по-настоящему осознают весь спектр потенциальных применений этого древнего изобретения.
Вывод
PAMs – это прорыв в материаловедении, который может привести к созданию новых видов защиты, медицинских устройств и роботов. Благодаря своей уникальной структуре, они сочетают в себе преимущества твёрдых тел и жидкостей, и способны эффективно рассеивать энергию. Возможно, в будущем именно из этих материалов будут изготавливаться бронежилеты, шлемы и другие виды защитного снаряжения.
Подписывайтесь, чтобы первыми узнавать о новостях науки, медицины, технологий