Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации

Инженеры из Мичиганского университета и Исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) разработали уникальные 3D-печатные метаматериалы, способные останавливать вибрации благодаря сложной внутренней геометрии. Эти структуры, вдохновлённые природой и теоретической физикой, показывают, как форма может определять свойства вещества, недостижимые обычной химией.

Геометрия вместо химии

На протяжении веков люди улучшали материалы, изменяя их химический состав — добавляя новые сплавы, примеси и соединения. Но теперь учёные идут другим путём: они создают механические метаматериалы, свойства которых зависят не от вещества, а от геометрии внутренней структуры. В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Applied, исследователи показали, как сложные трубчатые конструкции, напечатанные на 3D-принтере, могут гасить вибрации, проходящие сквозь них.

Эти структуры получили название «трубы кагоме» — по аналогии с традиционным японским плетением корзин, в котором используются треугольные и шестиугольные узоры. «Главная новизна в том, что мы теперь можем не просто моделировать такие материалы, а действительно создавать их», — говорит исследователь AFRL Джеймс МакИннерни, ранее работавший в лаборатории профессора физики Сяомин Мао в Мичиганском университете.

Когда физика встречает инженерное искусство

Создание таких структур стало возможным благодаря сочетанию классической инженерии, современной физики и 3D-печати. Учёные не изменяют молекулярный состав вещества — например, не добавляют новых элементов в металл или пластик. Они меняют форму и порядок организации материала на микромасштабе, чтобы получить совершенно новые механические свойства.

Подобный подход уже используется самой природой. Кости человека и раковины планктона обладают уникальной прочностью именно благодаря тонким и упорядоченным внутренним структурам. Теперь люди могут воспроизводить эти принципы искусственно, используя полимеры, металлы и другие материалы. «Речь не идёт о замене стали или пластика. Мы хотим научиться использовать их эффективнее, — отмечает МакИннерни. — Управление формой на микроуровне открывает совершенно новый класс прочных и лёгких конструкций.»

Исторические корни открытия

Хотя исследование кажется ультрасовременным, его идеи уходят корнями в работы Джеймса Клерка Максвелла, знаменитого физика XIX века. Помимо электромагнетизма, Максвелл занимался и механикой: он разработал принципы устойчивости повторяющихся структур — так называемые решётки Максвелла, которые и сегодня вдохновляют инженеров. Во второй половине XX века физики открыли, что на границах материалов возникают необычные эффекты — это положило начало новому направлению в науке, топологической физике. Позднее оказалось, что решётки Максвелла могут обладать топологическими фазами, то есть особым поведением волн и вибраций. Именно это открытие позволило команде Мао и МакИннерни создать материалы, способные гасить колебания, используя эти топологические принципы.

От теории к практике

В течение нескольких лет исследователи создавали математическую модель, объясняющую, как именно такие структуры могут изолировать вибрации. Теперь они смогли подтвердить её экспериментально, изготовив образцы из 3D-печатного нейлона. Внешне эти конструкции напоминают свёрнутую цепную сетку, образующую трубу с внутренним и внешним слоями, соединёнными узорами кагоме. Благодаря своей геометрии материал способен поглощать вибрации, не пропуская их дальше — как если бы волна сталкивалась с невидимой стеной.

Проблема баланса: лёгкость против прочности

Исследователи, однако, отмечают, что остаются вызовы. Чем лучше структура подавляет вибрации, тем меньше веса она может выдержать. Этот компромисс требует новых подходов к проектированию и испытаниям. «Мы создаём материалы, которые ведут себя совсем иначе, чем всё, что существовало раньше, — говорит МакИннерни. — Поэтому нам нужно разработать новые методы тестирования и стандарты, чтобы понимать, как оценивать их свойства.»

Потенциал для будущего

Технология может найти применение в самых разных отраслях — от авиастроения и строительства до автомобилей и оборонных систем, где борьба с вибрациями играет ключевую роль. Поддержку проекту оказали DARPA, Военно-морское управление США и Национальные академии наук, инженерии и медицины. Исследователи уверены: 3D-печатные метаматериалы — это лишь начало новой эпохи в материаловедении, где геометрия станет таким же важным инструментом, как химия, а инженеры смогут буквально «проектировать» поведение материи.

• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»
• GE Aerospace испытала гиперзвуковой двигатель без движущихся частей
• Ученые создали нейросеть из ДНК, способную к обучению
• Инженеры впервые передали квантовые сигналы по стандартному Интернет-протоколу
• Новая версия зонда Neuropixels позволяет записывать активность тысяч нейронов в мозге приматов с беспрецедентной точностью
• Искусственный интеллект научился выявлять рак голосовых связок по звуку голоса
• Сверхзвуковые перелёты могут вернуться в США уже к 2027 году