Исследование метаматериалов — одно из новых направлений в материаловедении. Метаматериалы нельзя встретить в природе, но можно создать искусственно. Учёные Томского государственного университета и Института физики прочности и материаловедения СО РАН выяснили, что сжатие ячейки метаматериала с тетрахиральной структурой, в которой элементарная ячейка состоит из кольца и четырёх связок (ребер), создает особое искажение — и делает материал жёстче. Это открытие может помочь в разработке энергопоглощающих устройств, а также точнее подбирать области применения метаматериалов, ориентируюсь на их уникальные свойства. Работа поддержана Программой развития ТГУ в рамках федеральной программы «Приоритет 2030».
Исследование проводили сотрудники кафедры механики деформируемого тела физико-технического факультета ТГУ Линар Ахметшин и Кристина Иохим, а также научный сотрудник ИФПМ СО РАН Александр Ерёмин.
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, 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.
Учёные 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. Это указывает на то, что ячейка с дефектом более жёсткая, чем ячейка без него, — рассказал Линар Ахметшин.
Как отметил учёный, благодаря полученным различиям в свойствах ячеек в дальнейшем можно создавать множество структур с широким спектром характеристик: более податливых или, наоборот, устойчивым к внешним воздействиям, например, к энергетическим волнам.
Исследование учёных ТГУ и ИФПМ СО РАН даёт новое фундаментальное знание в работе с метаматериалами и может облегчить практическое применение их уникальных свойств. Оно также поможет, например, в разработке энергопоглощающих устройств, создании интеллектуальных развёртываемых антенн, механических регулируемых стентов.
Источник: пресс-служба ТГУ