Когда дело доходит до пористых метаматериалов — вездесущих губчатых материалов, используемых во всем, от звукопоглощения до самоочищающегося стекла, — все зависит от того, как вы их нарежете.

В новой статье Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и Гарвардской высшей школы дизайна (GSD) исследователи обнаружили, что разрезание блока эластомера с периодическим набором отверстий под углом 45 градусов угол вместо типичного 90-градусного прямого среза изменил поведение материала, придав ему новые свойства и открыв ряд новых применений для этой давно изученной группы материалов.

«Пористые метаматериалы были глубоко изучены и хорошо изучены в течение многих-многих лет, но мы показали, что есть еще удивительные новые возможности для изучения», — сказала Катя Бертольди, профессор прикладной механики Уильяма и Ами Куан Данофф в Университете. SEAS и старший автор исследования.

Исследование опубликовано в журнале Extreme Mechanics Letters.

Предыдущие исследования, в том числе проведенные в лаборатории Бертольди, продемонстрировали, что при сжатии пористых метаматериалов с квадратным набором отверстий или каналов балочные связки, разделяющие поры, изгибаются и приводят к внезапному преобразованию круглых отверстий в эллипсы. Это обратимое морфологическое изменение было использовано для создания структур с необычными механическими свойствами, которые можно использовать в качестве фотонных и фононных переключателей, цветных дисплеев и мягких роботов, способных хватать и ходить.

Эти преобразования исторически изучались в плоскости, что означает, что поверхность материала оставалась плоской в ​​течение всего процесса приведения в действие.

Но, просто обрезав эту периодическую геометрию под углом, исследователи из Гарварда выяснили, как обеспечить внеплоскостные или трехмерные преобразования материала. После резки материала под углом 45 градусов команда покрыла обе стороны материала тонкой эластичной пленкой и прикрепила воздушный насос. Когда весь воздух удален из материала, связки, разделяющие поры, выгибаются наружу, в результате чего на поверхности материала появляются выступы. Когда воздух закачивается обратно, выступы исчезают, а поверхность снова становится плоской.

«Эти типы геометрических преобразований ранее не изучались в этом классе материалов, потому что никто не додумался разрезать их таким образом», — сказал Матеус К. Фернандес, бывший аспирант SEAS и Гарвардской высшей школы искусств и искусств.

Это изменение морфологии поверхности можно использовать для изменения трения между материалом и подстилающей поверхностью. Чтобы продемонстрировать этот эффект, в одном эксперименте команда прикрепила маленькие акриловые сферы к поверхности пористого блока. При нормальном давлении воздуха сферы оставались в контакте с подстилающей поверхностью, действуя как колеса, когда блок скользил по пандусу. Когда воздух был откачан, сферы втянулись в материал, так как гребни с более высоким трением изогнулись, и блок остался на месте. Исследователи также продемонстрировали противоположную схему, прикрепив плавники, похожие на коньки, которые увеличивали трение, когда блок был полностью надут, и позволяли блоку катиться по поверхности, когда воздух был откачан.

Используя эти две установки, исследователи построили червеобразного робота, который медленно продвигался вперед, изменяя трение между каждым сегментом своего тела и землей.

В другом эксперименте команда покрыла блок светоотражающей краской и продемонстрировала, что рассеяние света от поверхности блока может изменяться при изменении топологии поверхности.

«Это изменение в третьем измерении открывает множество возможностей для различных приложений», — сказал Саурабх Мхатре, старший научный сотрудник GSD и соавтор статьи. «Он может изменить то, как отражается свет, как течет жидкость, как поглощается и отражается звук. Его можно даже использовать на подошвах кроссовок, чтобы изменить уровень сцепления во время ходьбы или бега».

«Этот материал по своей сути многофункционален, что делает его еще более применимым к реальным устройствам и приложениям, поскольку вам не нужно добавлять в систему дополнительные компоненты для достижения этих различных характеристик, что значительно упрощает процесс проектирования и производства», — сказал Джеймс. Уивер, старший научный сотрудник SEAS и соавтор статьи.

«Этот проект — еще одна история успеха в почти десятилетнем сотрудничестве между исследователями из SEAS и GSD», — сказал Мартин Бехтольд, профессор архитектурных технологий Кумагаи в GSD, содиректор программы магистра инженерного проектирования в Гарварде.  «Мы продолжим преодолевать традиционные барьеры между наукой и дизайном в погоне за инновационными решениями, которые возникают только благодаря нестандартному мышлению и способности воображать и строить в быстром и повторяющемся цикле».