Метаматериалы были разрушены для контроля их характеристик.

«Уникальной особенностью метаматериалов является то, что их характеристики зависят не от химического состава, а от специфической структуры. Поэтому реакция метаматериала на внешние воздействия будет тоже уникальной», – комментирует автор исследования, руководитель проекта доцент кафедры механики деформируемого твердого тела физико-технического факультета ТГУ Линар Ахметшин.

– В ходе эксперимента я изучал материалы с тетрахиральной структурой. Хиральность – это свойство объекта не совпадать со своим зеркальным отражением. Хиральная структура придаёт материалу необычные характеристики. Например, если его сжимать по оси Y, то в плоскости Х-Z он будет сжиматься и скручиваться. Обычные материалы так себя не ведут».

Еще одно, более увлекательное свойство метаматериалов — это способность отклонять и замедлять свет. Отрицательный коэффициент преломления позволяет скрывать объекты в одном из диапазонов электромагнитного спектра. Это может привести к созданию самолетов, невидимых для радаров.

Для управления свойствами метаматериалов необходимо понимать, что происходит при изменении их структуры. Процесс открытия новых материалов теперь также может опираться на вычислительные методы, позволяющие быстро оценить механические характеристики потенциальных материалов. Проектирование структуры метаматериалов идеально подходит для цифровых подходов, которые дают возможность быстро и эффективно исследовать множество возможных геометрических и структурных решений и проверять их численно.

Ученый ФТФ ТГУ воздействовал на образцы метаматериалов с помощью сжатия. Регулярная элементарная ячейка метаматериала при нагружении по трем ортотропным осям сохраняла свои физико-механические свойства. Различные преобразования ячейки (введение топологических дефектов) приводили к изменениям свойств, увеличивая или уменьшая эффект.

«Дефект обычно воспринимается негативно, но в моих исследованиях это просто инструмент. С его помощью удалось получить ряд новых фундаментальных знаний о метаматериалах на завершающем этапе моего исследования – при сжатии и разрушении образцов, напечатанных на 3D-принтере», – объясняет Линар Ахметшин. – «Так, угол поворота у регулярной ячейки равен 1,8°. Внедренный топологический дефект уменьшил угол вращения ячейки более чем на 60% и значительно увеличил жесткость материала. При этом жесткость ячейки с топологическим дефектом изменяется по оси нагружения и становится выше, когда дефект находится на нижней стороне кубического образца».

Области применения новых знаний о метаматериалах разнообразны. Например, программируя материалы, можно ослаблять или поглощать энергию колебаний, создавая ударозащитные конструкции с особой прочностью. Использование такого свойства, как отрицательное преломление, открывает новые горизонты в биомедицине, электронике и других сферах.

Правильное применение метаматериалов может вывести человечество на новый технологический уровень. Исследование ученого ТГУ предоставляет новые фундаментальные знания, необходимые для программирования нового функционала метаматериалов.

Исследование было выполнено в рамках стратпроекта «Технологии безопасности», поддержанного федеральной программой «Приоритет 2030». Результаты исследования опубликованы в журнале «Вестник ТГУ» (Механика).