Переосмысление кольчуги: разработан одновременно жидкий и твердый материал
Ученые из Калифорнийского технологического института под руководством профессора механической инженерии и прикладной физики Кьяры Дарио разработали уникальный материал, который не поддается традиционной классификации как гранулярное или кристаллическое вещество. Новый материал, названный PAM (PolyCatenated Architected Materials), демонстрирует свойства, позволяющие ему вести себя как жидкость при некоторых нагрузках и как твердое тело — при других. Его потенциальное применение охватывает защитное снаряжение, биомедицинские устройства и робототехнику.
Основой для PAM послужила древняя идея кольчужного плетения, где металлические кольца соединяются в гибкую сетку. Однако PAM представляет собой трехмерные структуры, созданные из разнообразных переплетенных форм, которые позволяют материалу реагировать на физические нагрузки совершенно новым образом. Для создания и изучения PAM использовались 3D-принтеры, печатавшие модели из акриловых полимеров, нейлона и металлов.
Исследования под руководством Вэньцзе Чжоу, научного сотрудника лаборатории Дарио, показали, что эти материалы обладают гибкостью, позволяющей их частицам двигаться относительно друг друга, подобно звеньям цепи. Однако при сжатии PAM становятся твердыми, демонстрируя поведение, характерное для твердых тел.
«Представьте, что вы прикладываете боковую силу к воде. Вода практически не оказывает сопротивления. То же происходит с PAM, когда его частицы скользят друг относительно друга, как звенья цепи. Однако при сжатии этот материал становится жестким и устойчивым, как твердое тело», — объясняет Чжоу.
Эта двойственность поведения делает PAM уникальным материалом, который невозможно отнести ни к одному из известных типов вещества. Традиционные материалы делятся на кристаллические и гранулярные. Первые образуют жесткие решетчатые структуры, вторые, как песок или мука, состоят из свободных частиц, способных перемещаться независимо. PAM же совмещает эти свойства: частицы материала связаны, как в кристаллах, но могут двигаться относительно друг друга, как в гранулярных веществах.
Эксперименты показали, что PAM демонстрируют переходное поведение между жидкостью и твердым телом в зависимости от приложенных нагрузок. Такая универсальность открывает широкие перспективы для их применения. Например, благодаря способности эффективно поглощать энергию, эти материалы могут быть использованы для создания улучшенных шлемов или защитной экипировки, где требуется высокая устойчивость к ударам.
Кроме того, PAM показали способность реагировать на электрические импульсы, что делает их перспективными для использования в биомедицинских устройствах или мягкой робототехнике. Например, в роботах такие материалы могут служить компонентами, способными изменять форму или размеры в ответ на внешние воздействия.
По словам Дарио, PAM открывают новое направление в материаловедении, объединяя гранулярные и эластичные свойства в одном материале. Это захватывающее открытие ставит перед учеными новые задачи по изучению механизмов, управляющих таким поведением.
В будущем PAM могут быть дополнительно исследованы с использованием методов искусственного интеллекта, чтобы ускорить разработку и тестирование их структур. «Мы только начали изучать возможности этих материалов, и впереди еще много открытий», — отмечает соавтор работы Лиючи Ли.
Таким образом, PAM представляют собой не просто новое слово в материаловедении, а настоящий прорыв, который может изменить наше представление о том, какими должны быть материалы и как они могут функционировать.
Ранее ученые разработали материал, который может генерировать энергию.
