Инженеры MIT теперь нашли способ изготовить метаматериал, который является сильным и эластичным. Базовый материал, как правило, очень жесткий и хрупкий, но он напечатан в точных, сложных паттернах, которые образуют структуру, которая является сильной и гибкой. Кредит: Carlos Portela и др.
В дизайне метаматериалов название игры уже давно «сильнее лучше». Метаматериалы представляют собой синтетические материалы с микроскопическими структурами, которые дают общий материал исключительные свойства. Огромное внимание уделялось проектированию метаматериалов, которые сильнее и жестче, чем их обычные аналоги. Но есть компромисс: чем жесткий материал, тем менее гибким он.
Инженеры MIT теперь нашли способ изготовить метаматериал, который является сильным и эластичным. Базовый материал, как правило, очень жесткий и хрупкий, но он напечатан в точных, сложных паттернах, которые образуют структуру, которая является сильной и гибкой.
Работа появляется в Природные материалыПолем
Ключом к двойным свойствам нового материала является комбинация жесткой микроскопической стойки и более мягкой тканой архитектуры. Эта микроскопическая «двойная сеть», которая напечатана с использованием плексигласаподобного полимера, создала материал, который мог бы растянуть его более чем в четыре раза без полного разрыва. Для сравнения, полимер в других формах практически не растягивается и разбивается, когда его разбиты.
Исследователи говорят, что новый дизайн с двумя сетью может быть применен к другим материалам, например, для изготовления эластичной керамики, стекла и металлов. Такие жесткие, но сгибающие материалы могут быть превращены в устойчивый к разрыву текстиль, гибкие полупроводники, электронную упаковку чипа и долговечные, но совместимые каркасы, на которых можно выращивать клетки для восстановления тканей.
«Мы открываем эту новую территорию для метаматериалов», — говорит Карлос Портела, доцент по развитию карьеры Роберта Н. Нойс в MIT. «Вы могли бы напечатать металл или керамику с двумя сетью, и вы можете получить много этих преимуществ, так как потребуется больше энергии, чтобы разбить их, и они будут значительно более растягиваемыми».
Среди соавторов MIT в Портеле первого автора Джеймса Утама Сурджади, а также Бастиена Аймона и Молли Картон.
Вдохновленный гель
Наряду с другими исследовательскими группами, Портала и его коллеги обычно разработали метаматериалы путем печати или наноэбранных микроскопических решетков с использованием обычных полимеров, аналогичных плексиглас и керамика. Конкретный шаблон или архитектура, которую они печатают, может придать исключительную силу и воздействие сопротивления полученному метаматериалу.
Несколько лет назад Портела было любопытно, можно ли сделать метаматериал из жесткого материала по своей природе, но быть узоренным таким образом, чтобы превратить его в гораздо более мягкую, более эластичную версию.
«Мы поняли, что область метаматериалов на самом деле не пыталась оказать влияние на сферу мягкого вещества», — говорит он. «До сих пор мы все искали самые жесткие и самые сильные материалы».
Вместо этого он искал способ синтезировать более мягкие, более эламатериалы. Вместо того, чтобы печатать микроскопические стойки и фермы, аналогичные тем, что у обычных метаматериалов на основе решетки он и его команда создали архитектуру переплетенных пружин или катушек. Они обнаружили, что в то время как материал, который они использовали, сам по себе был жестким, как плексиглас, получающий тканый метаматериал был мягким и пружинным, как резина.
«Они были эластичными, но слишком мягкими и совместимыми», — вспоминает Портала.
В поисках способов увеличить их более мягкий метаматериал, команда нашла вдохновение в совершенно другом материале: гидрогель. Гидрогели-это мягкие, эластичные, железные материалы, похожие на желе, которые состоят в основном из воды и немного полимерной структуры. Исследователи, включая группы в MIT, разработали способы сделать гидрогели, которые являются мягкими и эластичными, а также жесткими. Они делают это, комбинируя полимерные сети с очень разными свойствами, такими как сеть молекул, которая естественным образом жестко, которая химически связана с другой молекулярной сетью, которая по своей природе является мягкой.
Портела и его коллеги задавались вопросом, можно ли адаптировать такой дизайн с двумя сетью к метаматериалам.
«Это был наш момент« ага », — говорит Портала. «Мы подумали: можем ли мы получить вдохновение от этих гидрогелей, чтобы создать метаматериал с аналогичными жесткими и эластичными свойствами?»
Напор и плетение
Для своего нового исследования команда сфабриковала метаматериал, объединив две микроскопические архитектуры. Первый-жесткая, похожая на сетка каркас из стопор и ферм. Второе — это рисунок катушек, которые плести вокруг каждой стойки и фермы. Обе сети изготовлены из одного и того же акрилового пластика и напечатаны за один раз, используя высокую методику печати на основе лазера, называемую двухфотонной литографией.
Исследователи напечатали образцы нового метаматериала в стиле двойной сети, каждый из которых измеряется по размеру от нескольких квадратных микрон до нескольких квадратных миллиметров. Они поместили материал через серию стресс -тестов, в которых они прикрепляли любой конец образца к специализированной наномеханической прессе и измерили силу, необходимую для разрыва материала. Они также записали видео с высоким разрешением для наблюдения за местами и способами растягивались и разорвались, когда его разделили.
Они обнаружили, что их новый дизайн с двойной сетью смог растянуть в три раза до собственной длины, что также оказалось в 10 раз по сравнению с обычным метаматериалом, напечатанным с тем же акриловым пластиком. Портела говорит, что эластичное сопротивление нового материала происходит от взаимодействия между жесткими стойками материала и сложным, свернутым плетением, когда материал подчеркнут и вытягивается.
«Думайте об этой тканой сети как о беспорядке спагетти, запутанных вокруг решетки. Когда мы разбиваем монолитную решетку, эти сломанные части поставляются для поездки, и теперь все эти спагетти запутываются с помощью решетки», — объясняет Портала. «Это способствует большей запутанности между ткаными волокнами, что означает, что у вас больше трения и большего рассеяния энергии».
Другими словами, более мягкая структура намотала на протяжении жесткой решетки материала, благодаря множеству узлов или запутывания, способствующих трещины. Поскольку это напряжение неравномерно распространяется через материал, начальная трещина вряд ли пройдет прямо и быстро разорвет материал. Более того, команда обнаружила, что если они введут стратегические отверстия — «дефекты» — в метаматериале, они могут еще больше рассеять любое стресс, который подвергается материалу, делая его еще более эластичным и более устойчивым к разрыву.
«Вы можете подумать, что это усугубляет материал»,-говорит соавтор исследования Сурджади. «Но мы увидели, как мы начали добавлять дефекты, мы удвоили количество растяжения, которое мы смогли сделать, и утроили количество энергии, которую мы рассеяли. Это дает нам материал, который как жесткий, так и жесткий, что обычно является противоречием».
Команда разработала вычислительную структуру, которая может помочь инженерам оценить, как будет работать метаматериал, учитывая схему его жестких и эластичных сетей. Они предполагают, что такой план будет полезен при разработке слезоточивого текстиля и тканей.
«Мы также хотим попробовать этот подход на более хрупких материалах, чтобы дать им многофункциональность», — говорит Портела. «До сих пор мы говорили о механических свойствах, но что, если бы мы также могли сделать их проводящими или реагировать на температуру? Для этого две сети могут быть сделаны из разных полимеров, которые реагируют на температуру по -разному, чтобы ткань могла открывать свои поры или стать более совместимыми, когда она тепло и может быть более жесткой, когда она холодно. Это что -то, что мы можем исследовать».
Больше информации:
МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТАМАТОРИАЛИИ, ВУДЬЯ Двойной сети, Природные материалы (2025). Два: 10.1038/S41563-025-02219-5
Информация журнала:
Материалы природы, предоставленные Массачусетским технологическим институтом
Эта история переиздана любезно предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
Цитирование: Инженерный метаматериал достигает как высокой прочности, так и замечательной гибкости (2025, 23 апреля), извлеченные 23 апреля 2025 года из этого документа, подверженным авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
