A mesterséges metamaterialok tervezését sokáig a szabályosság határozta meg. Ezekben az anyagokban a belső szerkezet kialakításával olyan különleges tulajdonságok hozhatók létre, amelyek a természetben nem fordulnak elő.
Tartalomjegyzék
A hagyományos módszer egyetlen alapegység, úgynevezett cella megtervezésével kezdődik. Ezt az elemet ismétlődő mintázatban sokszorozzák meg, így jön létre a pontos, rendezett mikroszerkezet, amely javíthatja az anyag teljesítményét.
Az MIT és a Northeastern Egyetem kutatói most arra jutottak, hogy egy kevés szabálytalanság tovább fokozhatja az anyagok különleges, „meta” tulajdonságait. Új tervezési megközelítésükben a rendezetlenség nem hiba, hanem az anyag viselkedését alakító eszköz.
Hálózatokból születő új anyagok
A kutatók a levelek erezetéhez, a szitakötők szárnyának mintázatához és a közösségi hálózatok kapcsolataihoz hasonló rendszerekből merítettek ihletet. Az így létrehozott, skálagazdag metamaterialok különböző méretű elemekből állnak, amelyek összekapcsolódva kiterjedt fizikai hálózatot alkotnak.
A hálózattudomány eddig főként elméleti eszközként szolgált: segítségével városokat, az internetet, idegi kapcsolatokat és más összetett rendszereket vizsgáltak. A kutatócsoport ezt a szemléletet most valódi anyagok tervezésére alkalmazta, ismétlődő alapcellák helyett változó méretű, sűrűn összefonódó tartógerendákat használva.
A fizikai próbák során az új anyagok merevsége széles tartományban szabályozhatónak bizonyult, és a hagyományos, rendezett metamaterialoknál jobban viselték a hirtelen ütéseket. Az algoritmussal tervezett szerkezetek ezért ütéselnyelő védőeszközök, például sisakok és páncélok, valamint a hangot vagy rezgést fókuszáló akusztikus lencsék fejlesztésében is hasznosak lehetnek.
A szabályosság határain túl
A hálózattudomány a csomópontok és az őket összekötő kapcsolatok szerkezetét, valamint ezek kölcsönhatását vizsgálja. Segítségével a természetes rendszerek, például a táplálékhálózatok és az idegi kapcsolatok mellett pénzügyi, sejtes és társadalmi hálózatokat, illetve az internetet is feltérképezték.
A kutatás egyik társszerzője, Albert-László Barabási, a Northeastern Egyetem fizikaprofesszora, a komplex hálózatok vizsgálatának meghatározó kutatója. Munkáiban többek között azt elemzi, hol sérülékenyek ezek a rendszerek, és miként tehetők ellenállóbbá.
Barabási felvetette, hogy a hálózattudomány segítségével olyan fizikai anyagokat is létre lehetne hozni, amelyek kívánt tulajdonságai a természetben nem találhatók meg. Carlos Portela, az MIT gépészmérnöki kutatócsoportjának vezetője korábban ismétlődő, például négyzetrácsos vagy méhsejtszerű szerkezetekkel dolgozott. Ezek javíthatják az anyag szilárdságát, de ha egy ponton megrepednek vagy átszakadnak, a hasonló elemek láncreakciószerű deformációja miatt a károsodás gyorsan továbbterjedhet.
Változó méretű gerendák hálózata
A kutatócsoport olyan algoritmust fejlesztett, amely fizikai korlátokat is figyelembe vevő gerendahálózatokat hoz létre. Míg az internethez hasonló rendszerek modellezésekor nem kell számolni az összeköttetések vastagságával vagy térbeli sűrűségével, egy anyagnál ezek alapvetően befolyásolják a kialakítható szerkezetet.
Az algoritmus véletlenszerű pontokat jelöl ki az anyag területén, majd különböző irányú vonalakat húz rajtuk keresztül. Az újabb vonalak a terület széléig vagy egy korábban megrajzolt vonalig tartanak, és a folyamat ismétlődésével egyre rövidebb, vékonyabb elemek jelennek meg. Az eredmény sokféle méretű, egymást metsző gerendákból álló, sűrű hálózat.
A kezdővonal vastagságának és a vonalak egymás utáni vékonyodási ütemének módosításával sokféle mintázat állítható elő. A szimulációk alapján e két paraméter változtatásával az anyag merevsége és több más fizikai tulajdonsága is szabályozható. A kutatók ezután 3D-nyomtatással készítettek mintadarabokat, amelyekben mikrométeres és centiméteres méretű gerendák kapcsolódtak össze.
Hatékonyabb energiaelnyelés
A hitelkártya méretű mintákat fokozatos nyomásnak és nagy tömegű súlyejtésnek is kitették, majd eredményeiket hagyományos rácsos és méhsejtszerkezetű metamaterialokéval vetették össze. A hálózati mintázatú anyagok jobban ellenálltak a nyomásnak és az ütéseknek. Ha egy részük megsérült, a környező szerkezetek segítettek megakadályozni a teljes anyag hirtelen összeomlását.
A különböző méretű elemekből álló hálózat hatékonyabban osztotta el a károsodást és nyelte el az energiát. Egy további kísérletben a pomeló vastag héjának változó sűrűségű felépítését utánozták: az anyag külső részeit sűrűbb gerendahálózattal alakították ki, így az a közepébe helyezett törékeny tárgyat is képes volt kipárnázni és megóvni.
Tian „Tim” Chen, az Imperial College London anyagtudósa szerint az eljárás olyan szerkezetek tervezését alapozhatja meg, amelyek tulajdonságai rendkívül széles mérettartományban változnak. Ez új lehetőségeket nyithat a terhelést viselő, energiát elnyelő vagy rezgéseket szabályozó anyagok fejlesztésében. A kutatásban az MIT és a Northeastern Egyetem munkatársai mellett az Utrechti Egyetem kutatója is részt vett; a munkát részben az amerikai Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatta.
© Courtesy of the researchers
Forrás: MIT.edu
