Чем больше дырок, тем крепче: MIT раскрыл тайну сверхпрочных метаматериалов

Инженеры Массачусетского технологического института создали уникальный метаматериал , сочетающий, казалось бы, несовместимые свойства: высокую прочность и удивительную эластичность. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Materials.

Метаматериалы представляют собой особый класс искусственно созданных веществ, необычные характеристики которых обусловлены не химическим составом, а тончайшей внутренней архитектурой. На микроскопическом уровне они состоят из множества повторяющихся элементов, организованных в сложные трёхмерные узоры. До настоящего момента учёные стремились создавать максимально твёрдые и жёсткие конструкции, однако у этого подхода был существенный недостаток: увеличение прочности неизбежно приводило к возрастанию хрупкости.

Команда под руководством профессора Карлоса Портелы нашла способ преодолеть это ограничение. Вместо традиционных решётчатых структур они разработали принципиально новую схему, сочетающую два различных типа микроскопических элементов. В основе - трёхмерный каркас из прямых стержней и перекладин, вокруг которого извивается сложная система спиральных волокон, напоминающая запутанный клубок нитей.

Для изготовления первых образцов использовалась высокоточная технология двухфотонной литографии, позволяющая печатать детали размером в несколько микрон. Базовым материалом послужил акриловый полимер, по свойствам близкий к оргстеклу — в обычном состоянии он отличается жёсткостью и практически не поддаётся растяжению, а при образовании трещин мгновенно раскалывается.

Идея двойной структуры пришла к исследователям после изучения гидрогелей — желеобразных субстанций, в которых жёсткие и мягкие молекулярные цепочки переплетаются между собой, создавая одновременно прочный и эластичный материал. Перенеся этот принцип на микроархитектурный уровень, команда получила просто поразительные результаты.

Испытания на специальном наномеханическом прессе показали: новый материал способен растягиваться втрое относительно исходной длины, что в десять раз превышает показатели стандартных решётчатых конструкций из того же полимера. При растяжении жёсткие элементы каркаса начинают разрушаться, однако не рассыпаются благодаря окружающим спиральным волокнам. Более того, под нагрузкой эти волокна ещё сильнее переплетаются между собой, создавая дополнительное трение и рассеивая энергию удара.

Ещё более удивительный эффект обнаружился, когда учёные намеренно создали в структуре материала микроскопические отверстия. Вопреки ожиданиям, искусственные "дефекты" существенно улучшили его свойства. Как поясняет соавтор исследования Джеймс Утама Сурджади, отверстия тоже помогают равномернее распределить нагрузку по всему объёму. В результате эластичность увеличилась вдвое, а способность поглощать энергию до разрушения выросла втрое.

Для практического применения разработки была создана компьютерная модель, прогнозирующая поведение метаматериалов в зависимости от конфигурации их внутренней структуры. Этот инструмент поможет инженерам проектировать сверхпрочные ткани и покрытия с заданными характеристиками.

Вообще новый принцип можно применить к самым разным веществам — от керамики и стекла до металлов. В перспективе исследователи планируют наделить такие структуры дополнительными функциями. Например, если изготовить каркас и оплетающие волокна из разных полимеров с различной реакцией на температуру, можно получить "умную" ткань, автоматически регулирующую свою пористость: она станет более жёсткой в холоде и податливой в тепле.

На основе метода можно создавать гибкие полупроводники для электроники, защитную упаковку для хрупких компонентов, эластичные каркасы для выращивания живых тканей в регенеративной медицине. Вполне вероятно, что открытие MIT не просто расширило границы известной науки — оно заложило фундамент для целого направления в материаловедении.