Международная группа исследователей из Китая, США и Германии разработала метаматериал с выдающейся механической емкостью хранения энергии. Придать ему уникальные характеристики удалось за счет структуры — скрученных гибких стержней, деформирующихся по спирали.
Сначала ученые нашли способ сохранять большое количество энергии в простом круглом стержне, не ломая и не деформируя его. Затем механизм масштабировали и с помощью компьютерного моделирования спрогнозировали свойства нового перспективного материала, в частности высокую жесткость, что позволяет поглощать больше энергии во время деформации. Чем выше жесткость — тем больше возникающая сила упругости.
Подобно тому, как сжатая пружина хранит потенциальную энергию, работает и предложенная исследователями технология. Но есть существенное отличие. В традиционной пружине напряжения во внутреннем объеме крайне невелики, в то время как на концах, наоборот, слишком высокие, что приводит к разрыву. Ученые обнаружили, что, если скрутить стержень, его поверхность тоже подвергнется высоким напряжениям, следовательно, нагрузка распределится равномерно по поверхности.
Принцип действия лег в основу метаматериала — композита, физические свойства которого задаются не химическим составом, а пространственной структурой. Они не встречаются в природе, а создаются из индивидуально определенных компонентов.
Созданный международной командой ученых хиральный метаматериал представляет собой особый тип композитного материала. Хиральность — это свойство предмета не накладываться на свое зеркальное отображение. Точно так же, к примеру, несовместимы руки человека: ни при каком движении правую ладонь не повернуть так, чтобы она выглядела как левая.
Высокая жесткость материала позволяет ему поглощать больше энергии во время деформации / © Xin Fang et al.
Научная группа провела испытания, которые подтвердили перспективные характеристики разработанной модели. По сравнению с другими известными искусственными структурами, материал показал 5-10-кратную прочность на изгиб, то есть способность противостоять деформации под нагрузкой, 2–32-кратную эквивалентность энергии массе (в пределах прочности материала) и 2–160-кратную энтальпию. Это означает, что он может хранить в десятки раз больше упругой энергии, причем восстанавливая форму после сжатия или растяжения.
Авторы научной работы отметили, что производительность материала можно улучшить еще больше за счет использования более плотного расположения зеркальных хиральных структур. Потенциально применять его можно будет в тех областях, где требуются эффективное энергосбережение и исключительные механические свойства, от легких и миниатюрных конструкций до промышленных установок. Пружинное накопление энергии требуется, например, в демпферах или низкочастотных виброизоляторах, а гибкие соединения — в робототехнике.