На протяжении последних десятилетий учёные разрабатывают метаматериалы – материалы, которые не встречаются в природе. При этом их свойства обусловлены не химическим составом элементов, но тщательно продуманными особенностями искусственной структуры. Подобные материалы до сих пор не получили широкого распространения, однако это может измениться уже в обозримом будущем. Тянь Чэнь из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) пошёл дальше, разработав программируемый метаматериал, свойства которого можно изменять даже после окончания формирования его структуры.

Тянь Чэнь принимает активное участие в деятельности сразу двух исследовательских учреждений EPFL – Лаборатории гибких материалов и Лаборатории геометрических вычислений. В своём проекте он решил объединить методики обоих направлений, чтобы найти способ воздействовать на внутреннюю геометрию структуры готового материала. Целью Чэня стал единый метаматериал, способный демонстрировать целый спектр механических и физических свойств, сочетая, например, жёсткость и гибкость. По задумке учёного, особенности подобного материала должны сделать его «универсальным бойцом», не требующим замены в зависимости от ситуации. Сам Чэнь привёл в пример собственную историю с подвёрнутой лодыжкой. При такой травме сразу необходима иммобилизация конечности при помощи жёсткой шины или даже гипса. По мере заживления лодыжки можно ослабить фиксацию и постепенно возвращать подвижность, заменив шину на более мягкую. Сегодня для этого приходится использовать несколько разных фиксаторов, однако возможно, что в будущем им на замену придёт один единственный материал, способный выполнять функции как жёсткой, так и мягкой шины.

Метаматериал Чэня представляет собой смесь силикона и магнитного порошка, сложная структура которой оставляет пространство для изменения механических свойств. Тянь Чэнь пояснил, что принцип работы его изобретения аналогичен работе компьютерных девайсов вроде жёстких дисков. Клетки структуры материала – так называемые м-биты – ведут себя как крошечные рубильники. Как и в жёстких дисках, воздействие магнитного поля меняет вектор намагниченности клеток, тем самым активируя и деактивируя их. Таким образом в активном состоянии клеток метаматериал становится жёстким, а при деактивации обретает бо́льшую гибкость. Чэнь считает, что в дальнейшем исследователи смогут комбинировать более широкий спектр механических свойств в соответствии с направлением магнитного вектора клеток в структуре материала.

Дизайн, программирование и реакция одной клетки (м-бита) на магнитное поле

Сбор и тестирование комплекса м-битов

В ходе дальнейших исследований Чэнь намерен отыскать нужный баланс между потенциалом программируемых метаматериалов и ресурсов, необходимых для их создания и эксплуатации. Пока что подобные структуры ещё слишком энергоёмкие для использования в быту, потому в ближайшее время исследователей ожидают многочисленные эксперименты с целью развития и оптимизации технологии. В частности, Чэнь и его коллеги планируют наконец вывести область своего исследования из двумерного пространства в трёхмерное и попробовать создавать программируемые 3D-структуры. Кроме того, они заинтересованы в освоении различных масштабов метаматериалов.

Изменение свойств м-бита и его реакция на механическое Подробнее