Представьте материал, который можно растянуть вчетверо, и он не порвется. Разработка инженеров из Массачусетского технологического института (MIT) именно такова. Этот новый "метаматериал" не только невероятно гибкий, но и прочный, что открывает для него массу возможностей: от разработки эластичной электроники и супернадежных тканей до биоинженерных структур и многого другого.
Что такое вообще "метаматериал"? По сути, это искусственно созданные материалы, которым благодаря особой внутренней микроструктуре удается придать свойства, которые в природе просто не встречаются. За последние лет десять мы уже видели яркие примеры: взять хотя бы полномасштабную мантию-невидимку (прямо как у Гарри Поттера) или сверхпроводники, работающие при температурах, которые раньше казались нереальными. Так что, если видите необычный материал, который умеет что-то, чего природа не предусмотрела, — это, скорее всего, метаматериал.
Как пишут исследователи в свежей статье в Nature Materials, секрет этого конкретного метаматериала — в его необычной двойной структуре. Материал состоит из двух слоёв (сетей), которые сделаны из одного и того же акрилового полимера, напоминающего оргстекло, но сформированного в тончайшие нити. Сначала с помощью лазерной печати (двухфотонной литографии) создается жесткая основа — что-то вроде решетки. Именно она придает материалу прочность и форму. А затем поверх этой решетки "наплетаются" спирали, которые обвивают ее элементы. Получается структура, немного похожая на кучу сухих спагетти, перемешанных со спиральными макаронами. Но в отличие от них, этот материал суперэластичный — именно спирали позволяют ему растягиваться, не рвясь мгновенно.
Крупный план демонстрирует двойную структуру: спирали обвивают базовую решетку. Источник: Surjadi и соавторы, MIT.
Масштабы тут, конечно, микроскопические: образцы, которые изучали в MIT, были размером от нескольких квадратных микрон (это тысячные доли миллиметра) до пары квадратных миллиметров. Чтобы проверить их на прочность, команда MIT брала миниатюрные кусочки, зажимала их концы в специальном наномеханическом прессе и постепенно тянула, измеряя, какое усилие нужно, чтобы разорвать материал. Весь процесс тщательно снимали на видео в высоком разрешении.
Важно отметить, что новый метаматериал не является идеальным. Но вот что удивительно: он растянулся вдесятеро сильнее, чем его "простой" вариант — без спиралей, только с решеткой, сделанной из того же акрила. И порвался он не резко, а постепенно, даже под сильной нагрузкой. Эти особенности делают его идеальным кандидатом, скажем, для разработки гибких полупроводников в мягких роботах или носимой электронике. А еще он отлично подойдет для выращивания клеток в лаборатории, например, для будущих методов восстановления тканей.
Как отметил Карлос Портела, один из ведущих авторов работы: «Мы по сути открываем совершенно новое направление для метаматериалов». Он добавил: «Представьте, если бы мы смогли напечатать так металл или керамику с двойной структурой. Мы бы получили массу преимуществ: для их разрушения потребовалось бы намного больше энергии, и они стали бы куда более эластичными».