Metamateriały fascynują naukowców. Nowe odkrycie badaczy z MiT

Elastyczne metamateriały z drukarki 3D

Metamateriały od lat fascynują naukowców na całym świecie. To znacznie więcej niż zwykłe tworzywa – ich wyjątkowe właściwości nie wynikają z chemicznego składu, lecz z precyzyjnie zaprojektowanej mikroskopijnej struktury. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu drobnych elementów mogą wpływać na światło, dźwięk czy ciepło w sposób, którego nie oferują naturalne materiały. Tak właśnie działają elastyczne materiały nowej generacji.

Przez lata inżynierowie tworzyli je z myślą o zwiększeniu sztywności i odporności. To podejście miało jednak swoją cenę – sztywne materiały są podatne na pęknięcia pod wpływem nacisku.

Badacze z Massachusetts Institute of Technology (MIT) pokazali, że da się to zmienić. Dzięki projektowi w mikroskali oraz precyzyjnemu drukowi 3D stworzyli metamateriał, który z jednej strony jest wytrzymały jak ceramika, a z drugiej potrafi rozciągać się niczym guma. To przełomowe osiągnięcie otwiera zupełnie nowe możliwości w projektowaniu technologii przyszłości.

Polecamy: Czwarty wymiar już tu jest. Technologia z filmów s.f. jest realna

Kratownica i sprężyna – duet idealny

Klucz do elastycznych materiałów tkwi w specjalnym układzie mikroskopijnych elementów. Naukowcy opracowali strukturę złożoną z dwóch rodzajów sieci. Pierwsza przypomina kratownicę i nadaje całości sztywność. Druga ma strukturę skręconych włókien i oplata tę pierwszą niczym sprężyna. Obie drukowane są jednocześnie z tego samego tworzywa – polimeru przypominającego pleksi. To jednak nie sam materiał, lecz jego architektura decyduje o końcowych właściwościach.

„Otwieramy nową drogę dla metamateriałów. Można by wydrukować metal lub ceramikę z podwójną siecią i uzyskać wiele z tych korzyści, ponieważ ich złamanie wymagałoby więcej energii i byłyby znacznie bardziej rozciągliwe” – mówi prof. Carlos Portela, główny autor badania, cytowany przez MIT News.

Podczas testów elastyczne metamateriały potrafiły rozciągnąć się nawet czterokrotnie względem swojej pierwotnej długości – i to bez rozdarcia. W porównaniu z klasycznymi metamateriałami ta wersja okazała się dziesięciokrotnie bardziej elastyczna.

Inspiracja z galaretki

Skąd pomysł na tak nietypową konstrukcję? Szukając sposobu na wzmocnienie swojego miękkiego metamateriału, zespół naukowców z MIT znalazł inspirację w zaskakującym miejscu – w hydrożelach. Te miękkie, rozciągliwe materiały przypominające galaretkę składają się głównie z wody i cienkiej sieci polimerowej. Mimo pozornej delikatności potrafią być zadziwiająco wytrzymałe. Jak to możliwe?

Sekret tkwi w ich budowie wewnętrznej. Hydrożele łączą w sobie dwie sieci polimerów o skrajnie różnych właściwościach – jedna z nich jest sztywna i stanowi rusztowanie, druga jest miękka i elastyczna. To właśnie to połączenie nadaje im zarówno siłę, jak i rozciągliwość. Zespół pod kierunkiem prof. Porteli zaczął się zastanawiać: a co, gdyby podobną zasadę zastosować w twardych materiałach?

„To był nasz moment olśnienia. Pomyśleliśmy: skoro można tak zrobić z żelem, to czemu nie z materiałem stałym?” – wspomina Portela.

Wcześniejsze próby stworzenia elastycznych metamateriałów często kończyły się zbyt miękkimi strukturami. Dopiero połączenie sztywnej kratownicy z miękkim splotem dało oczekiwany efekt.

Spaghetti wokół kratownicy

Kiedy elastyczne metamateriały są rozciągane, włókna oplatające kratownicę zaczynają się napinać i zachowują się niczym pajęczyna. Gdy dochodzi do mikropęknięć, nie pozwalają one rozprzestrzenić się uszkodzeniu. Zamiast tego absorbują energię, zwiększając odporność całej struktury.

Jeszcze lepsze efekty uzyskano, gdy naukowcy celowo… uszkodzili materiał. Dodając do niego otwory, tzw. defekty, sprawili, że naprężenia rozchodziły się nierównomiernie, co jeszcze lepiej zapobiegało pęknięciom.

„Można by pomyśleć, że pogarsza to jakość elastycznych materiałów. Zauważyliśmy jednak, że gdy zaczęliśmy dodawać defekty, podwoiliśmy ilość rozciągania, które byliśmy w stanie wykonać, i potroiliśmy ilość energii, którą rozpraszaliśmy. Daje nam to materiał, który jest zarówno sztywny, jak i wytrzymały, co zwykle jest sprzecznością” – wspomniał współautor, James Utama Surjadi.

Szukasz tekstów, które zostają w głowie na długo? Sprawdź kwartalnik Holistic News – tu liczy się głębia, nie powierzchowność.

Elastyczne metamateriały przyszłości?

Nowa technologia ma ogromny potencjał zastosowań w różnych dziedzinach. Elastyczne metamateriały mogą posłużyć do tworzenia wytrzymałych, a zarazem rozciągliwych tkanin idealnych do nowoczesnej odzieży technicznej. Sprawdzą się także w elastycznych półprzewodnikach, które nie pękają przy zginaniu. A nawet w medycynie jako rusztowania do hodowli komórek, dopasowujące się do ruchów ludzkiego ciała.

Zespół z MIT idzie jednak o krok dalej. Naukowcy chcą przygotować wersje materiałów, w których obie mikrosieci wykonane są z różnych substancji. Dzięki temu będzie można projektować struktury, które zmieniają swoje właściwości np. pod wpływem temperatury.

„Chcemy wypróbować to podejście na bardziej kruchych materiałach, aby nadać im wielofunkcyjność. Wyobraźmy sobie tkaninę, która staje się bardziej elastyczna, gdy robi się ciepło, i sztywnieje, gdy jest zimno. To jest coś, co możemy teraz naprawdę zbadać” – tłumaczy Portela.

Polecamy: Rafy koralowe z drukarek 3D. Rozwiązanie dla mórz i oceanów