Метаматериалы - это синтетические материалы с микроскопической структурой, которые придают материалу в целом исключительные свойства. Огромное внимание уделялось разработке метаматериалов, которые были бы прочнее и жестче своих обычных аналогов. Но есть компромисс: чем жестче материал, тем он менее гибок.

Инженеры Массачусетского технологического института теперь нашли способ изготовить метаматериал, который является одновременно прочным и эластичным. Основной материал, как правило, очень жесткий и хрупкий, но на нем нанесены точные, замысловатые узоры, которые образуют одновременно прочную и гибкую структуру.

Ключом к двойным свойствам нового материала является сочетание жестких микроскопических распорок и более мягкой тканевой структуры. Эта микроскопическая "двойная сеть", напечатанная с использованием полимера, похожего на оргстекло, позволила получить материал, который мог растягиваться в четыре раза больше своего размера, не разрываясь полностью. Для сравнения, полимер в других формах практически не растягивается и легко разрушается при растрескивании.

Исследователи говорят, что новая конструкция с двойной сеткой может быть применена к другим материалам, например, для изготовления эластичной керамики, стекла и металлов. Из таких прочных, но гибких материалов можно было бы изготовить устойчивый к разрыву текстиль, гибкие полупроводники, упаковку для электронных чипов и прочные, но податливые каркасы, на которых можно выращивать клетки для восстановления тканей.

"Мы открываем эту новую территорию для метаматериалов", - говорит Карлос Портела, доцент по развитию карьеры Роберта Нойса в Массачусетском технологическом институте. "Вы могли бы напечатать металл или керамику с двойной сеткой, и вы могли бы получить множество этих преимуществ, поскольку для их разрушения потребовалось бы больше энергии, и они были бы значительно более растяжимыми".

Портела и его коллеги сообщат о своих выводах в журнале Nature Materials. Его соавторами в Массачусетском технологическом институте являются первый автор Джеймс Утама Сурджади, а также Бастьен Эймон и Молли Картон.

Вдохновленный гель

Наряду с другими исследовательскими группами Портела и его коллеги обычно разрабатывали метаматериалы путем печати или нанопроизводства микроскопических решеток с использованием обычных полимеров, подобных оргстеклу и керамике. Особый рисунок или архитектура, которые они печатают, могут придать полученному метаматериалу исключительную прочность и ударопрочность.

Несколько лет назад Портеле стало любопытно, можно ли изготовить метаматериал из изначально жесткого материала, но с таким рисунком, который превратил бы его в гораздо более мягкую и эластичную версию.

"Мы поняли, что область метаматериалов на самом деле не пыталась оказать влияние на область мягкой материи", - говорит он. "До сих пор мы все искали самые жесткие и прочнейшие материалы из возможных".

Вместо этого он искал способ синтезировать более мягкие и эластичные метаматериалы. Вместо того чтобы печатать микроскопические распорки и фермы, подобные тем, что используются в обычных метаматериалах на основе решеток, он и его команда создали архитектуру из переплетенных пружин, или витков. Они обнаружили, что, хотя используемый ими материал сам по себе был жестким, как оргстекло, полученный в результате тканый метаматериал был мягким и пружинистым, как резина.

"Они были эластичными, но слишком мягкими и податливыми", - вспоминает Портела.

В поисках способов увеличить объем своего более мягкого метаматериала команда нашла вдохновение в совершенно другом материале: гидрогеле. Гидрогели - это мягкие, эластичные, похожие на желе материалы, которые состоят в основном из воды и небольшого количества полимерной структуры. Исследователи, в том числе из Массачусетского технологического института, разработали способы получения гидрогелей, которые одновременно являются мягкими и эластичными, а также прочными. Они делают это путем объединения полимерных сетей с очень разными свойствами, таких как сеть молекул, которая является от природы жесткой, которая химически сшивается с другой молекулярной сетью, которая по своей природе мягкая. Портела и его коллеги задались вопросом, можно ли адаптировать такую конструкцию с двойной сетью к метаматериалам.

"Это был наш момент "ага", - говорит Портела. "Мы подумали: можем ли мы черпать вдохновение из этих гидрогелей для создания метаматериала с аналогичными жесткими и эластичными свойствами?"

Распорка и плетение

Для своего нового исследования команда изготовила метаматериал, объединив две микроскопические архитектуры. Первый представляет собой жесткий решетчатый каркас из стоек и ферм. Второй - это узор из витков, которые оплетают каждую стойку и ферму. Обе сетки изготовлены из одного и того же акрилового пластика и печатаются за один раз с использованием высокоточной технологии лазерной печати, называемой двухфотонной литографией.

Исследователи напечатали образцы нового метаматериала, вдохновленного двойной сетью, размер каждого из которых составляет от нескольких квадратных микрон до нескольких квадратных миллиметров. Они подвергли материал серии стресс-тестов, в ходе которых прикрепили оба конца образца к специализированному наномеханическому прессу и измерили усилие, необходимое для раздвигания материала. Они также записали видеоролики с высоким разрешением, чтобы наблюдать за местоположениями и способами, которыми материал растягивался и рвался при растаскивании на части.

Они обнаружили, что их новая конструкция с двойной сеткой способна растягиваться в три раза больше своей собственной длины, что также оказалось в 10 раз больше по сравнению с обычным метаматериалом с решетчатым рисунком, напечатанным на том же акриловом пластике. Портела говорит, что устойчивость нового материала к растяжению обусловлена взаимодействием между жесткими распорками материала и более запутанным, спиральным переплетением, когда материал подвергается напряжению и вытягиванию.

"Думайте об этой сплетенной сети как о мешанине спагетти, запутавшихся вокруг решетки. Когда мы разрушаем монолитную решетчатую сеть, эти сломанные части отправляются в путь, и теперь все эти спагетти запутываются в кусочках решетки", - объясняет Портела. "Это способствует большему переплетению между ткаными волокнами, что означает большее трение и большее рассеивание энергии".

Другими словами, более мягкая структура, намотанная на жесткую решетку материала, испытывает большее напряжение благодаря многочисленным узлам или переплетениям, возникающим из-за треснувших стоек. Поскольку это напряжение распространяется по материалу неравномерно, первоначальная трещина вряд ли пройдет насквозь и быстро разорвет материал. Более того, команда обнаружила, что если бы они внедрили стратегические отверстия, или "дефекты", в метаматериал, они могли бы еще больше рассеять любое напряжение, которому подвергается материал, сделав его еще более эластичным и устойчивым к разрыву.

"Вы можете подумать, что это ухудшает качество материала", - говорит соавтор исследования Сурджади. "Но мы увидели, что как только мы начали добавлять дефекты, мы удвоили количество растяжек, которое смогли выполнить, и утроили количество энергии, которую мы рассеивали. Это дает нам материал, который одновременно является жестким и незыблемым, что обычно является противоречием".

Команда разработала вычислительную структуру, которая может помочь инженерам оценить, как будет работать метаматериал, учитывая структуру его жестких и эластичных сетей. Они предполагают, что такой чертеж будет полезен при разработке текстиля, защищенного от разрывов, и тканей, из которых он изготовлен.

"Мы также хотим опробовать этот подход на более хрупких материалах, чтобы придать им многофункциональность", - говорит Портела. "До сих пор мы говорили о механических свойствах, но что, если бы мы могли также сделать их проводящими или чувствительными к температуре? Для этого две сетки можно было бы изготовить из разных полимеров, которые по-разному реагируют на температуру, так что ткань может открывать свои поры или становиться более податливой, когда ей тепло, и может быть более жесткой, когда холодно. Это то, что мы можем исследовать прямо сейчас".

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом США и начальным фондом MECHE MathWorks Массачусетского технологического института.