Група американських вчених представила метаматеріал, геометрична структура якого дозволяє досягти теоретично розрахованої верхньої межі упругості для композитних матеріалів і до того ж досить проста, щоб виробляти його в промислових масштабах. Опис роботи опубліковано в журналі.
У сучасних технологіях потрібні легкі матеріали, здатні виносити значні навантаження. На сьогоднішній день найлегші матеріали цього класу являють собою структури, що імітують бджолині соти. Ці механічні метаматеріали мають специфічні властивості, обумовлені геометрією їх структури і складом, - такі властивості недосяжні в однорідних щільних матеріалах. Однак показники пружності відомих метаматеріалів не досягають максимуму теоретично розрахованих меж - верхньої межі так званої вилки Хашина-Штіркмана, яка визначає межі пружності композитного матеріалу.
Для відбору найбільш багатообіцяючих матеріалів дослідники вивчили залежність модуля пружності Юнга від щільності матеріалу для різних матеріалів і геометричних структур. Отримана карта дозволила виключити з розгляду матеріали, які свідомо не можуть досягти верхніх меж пружності - таким чином, зокрема, були відкинуті матеріали зі стільниковою структурою.
Дослідники вивчили властивості декількох геометричних структур на основі замкнутих комірок: кубічну, октаедричну і комбіновану (куб + октаедр), зразок на основі квазі-випадкової піни, отриманої за допомогою діаграми Вороного, і два зразки на базі решіток, з кубічними і октаедричними підставами. Ці зразки представляють репрезентативну вибірку матеріалів з високими показниками пружності. За допомогою комп'ютерного моделювання вчені проаналізували розподіл енергії деформації в цих структурах при різних типах навантаження.
Найвищі показники пружності продемонстрували матеріали зі структурою, побудованою з упорядкованих замкнутих осередків: вони забезпечують максимально рівномірний розподіл енергії деформації при осьових різноспрямованих навантаженнях, деформації зрушення і гідростатичних навантаженнях, в той час як структури на основі решіток показали слабкі місця - вони більш схильні до згинів і деформацій через нерівномірний розподіл навантаження всередині структури. Більше того, моделювання показало, що структури на базі решіток в принципі не можуть досягти теоретичних верхніх меж пружності, незалежно від складу.
Найбільш міцним виявився матеріал, комбінована структура якого побудована на основі кубів і октаедрів (схема а) на малюнках вище): така геометрія дозволяє досягти теоретичної верхньої межі вилки Хашина-Штіркмана і забезпечує максимальну міцність при будь-яких навантаженнях, незалежно від напрямку докладається сили навантаження. Цей механічний метаматеріал володіє низькою щільністю, а також безліччю інших переваг: геометрія його структури дозволяє витримувати без деформації високі ударні і тривалі навантаження, забезпечувати звуко- і теплоізоляцію, а також цей матеріал можна використовувати при створенні легких повітряних і водних транспортних засобів. Геометрія нового матеріалу така, що його можна отримувати за допомогою 3D-друку або навіть зібрати за принципом орігамі, згинаючи і складаючи основу - тобто вона досить проста для того, щоб виробляти матеріал в промислових масштабах.
Вчені зазначають, що пружність властивості матеріалу залежать не тільки від геометричної структури, а й від складу: так, найбільш міцні матеріали можуть бути отримані з берилію, карбіду бору, а також вуглецевих композитних матеріалів і легких сплавів. Наступний етап досліджень - визначення оптимального складу матеріалу, який забезпечить максимально високі показники пружності при найменшій вартості.