Поглощение изгибом

Во что лучше врезаться? В кирпичную стену или соломенный мат? Ответ очевиден. Первая жесткая и не поглощает удар и вибрации, вторая мягкая и хорошо гасит колебания. Обычно эти два свойства исключают друг друга, но зачастую для решения задачи нужен их компромисс. Плюс вся конструкция поглотителя должна быть достаточно жесткой, чтобы не разрушиться под собственным весом.

Сегодня для поглощения энергии используют мягкие материалы, а также сложные механические или электрические системы. Однако команда исследователей из института физики Амстердамского университета во главе с профессором Дэвидом Дикстра (David Dykstra) нашла способ создать класс легких ячеистых метаматериалов, состоящих из большого числа одинаковых элементов, которые хорошо поглощают механическую энергию. Новые метаматериалы демпфируют ее благодаря изгибам этих ячеистых элементов.

Физики проверили на численных математических моделях свойства ячеистых поглотителей, сделанных из резины или металлов. У последних элементарные ячейки образуют изогнутые металлические листы размером с ладонь, которые скреплены друг с другом заклепками. Если правильно выбрать их форму, материал будет отлично поглощать вибрации, но в то же время сохранит существенную часть жесткости металла. Резиновые конструкции также эффективно поглощают вибрации.

Ячеистые металлические структуры с нелинейным изгибом позволяют достичь коэффициента демпфирования, который на порядки превосходит таковой для традиционных легких поглотителей, например пористых полимеров. Более того, листы ячеек не будут очень толстыми, то есть объемная плотность всей конструкции будет гораздо меньше плотности металла при дециметровых толщинах самого поглотителя.

Жесткий и хорошо поглощающий вибрации материал нужен везде. Применения новых поглощающих конструкций простираются от метровых размеров в промышленности и быту до микроразмеров, характерных для микроскопии и приборов микроэлектроники. «Человечество обычно предпочитает легкие и прочные конструкции, независимо от их размера», — говорит профессор Дискра. Он уверен, что его метаматериалы помогут улучшить уже работающие устройства и создать новые. Статья об исследовании вышла в журнале Advanced Materials.