Nowy rodzaj materiałów kurczących się pod wpływem … rozciągania

Dzięki teoretycznym badaniom przeprowadzonym przez grupę amerykańskich fizyków, nowe metamateriały kurczące się pod wpływem rozciągania i rozszerzające się pod wpływem ściskania, mogą wkrótce stać się rzeczywistością. Zdaniem naukowców materiały te mogą zostać z powodzeniem wykonane za pomocą aktualnie dostępnych technologii, pomimo że na pierwszy rzut oka możliwość ich skonstruowania wydaje się niemożliwa ze względu na naruszenie fundamentalnych praw fizyki.

Metamateriałami nazywamy syntetyczne materiały o właściwościach nie występujących normalnie w konwencjonalnych materiałach. Niektóre z nich charakteryzują się na przykład ujemnym współczynnikiem załamania światła, co stało się przyczynkiem do badań nad stworzeniem, znanej z bajek, czapki – niewidki. Ostatnimi czasy badania nad metamateriałami koncentrowały się przede wszystkim na uzyskaniu nietypowych, trochę dziwacznych, właściwości mechanicznych.

Metamateriały o ujemnym współczynniku ściśliwości

Naukowcy są szczególnie zainteresowani stworzeniem metamateriałów o ujemnej wartości współczynnika ściśliwości (ang. compressibility factor) tj. kurczących się pod wpływem rozciągania i rozszerzających się pod wpływem ściskania. Jeżeli np. do pręta wykonanego z dowolnego materiału przyłożymy odpowiednio dużą siłę, pręt ten ulegnie lekkiemu rozciągnięciu, powodując pojawienie się siły przywracającej stan równowagi takiego układu. Podobne zachowanie zaobserwujemy w przypadku ściśnięcia pręta.

Opisane zjawiska ulegną radykalnej zmianie, gdy będziemy działać tą samą siłą na materiał o ujemnym współczynniku ściśliwości. Próba rozciągnięcia takiego materiału skończy się niepowodzeniem, ponieważ materiał ten zamiast zwiększyć swoją długość ulegnie nieznacznemu skurczeniu. Każdorazowy wzrost siły będzie wpływał na wzrost wartości naprężeń w jego wnętrzu i w efekcie spowoduje jeszcze większe jego skurczenie. Logiczną konsekwencją opisanego zachowania metamateriału jest fakt, że nawet niewielkie ściśnięcie takiego materiału powinno spowodować jego zniszczenie, z kolei wytworzenie nawet niewielkiego ciśnienia – jego wybuch. Powyższy opis sugeruje więc, że tego rodzaju materiał nie powinien najzwyczajniej w świecie istnieć.

Poszukiwania odpowiedniego materiału

Zachary Nicolaou i Adilson Motter z Northwestern University odkryli jednak pewne warunki, po spełnieniu których materiał taki mógłby rzeczywiście istnieć. Naukowcy uznali, że niemożliwym byłoby stworzenie materiału o ujemnym współczynniku ściśliwości występującym w całej jego objętości, jednakże uznali, że powinno być możliwe osiągnięcie takiego stanu w jednym, konkretnym punkcie materiału. Wielkim wyzwaniem stojącym przed fizykami było zaprojektowanie takiego materiału, który składałby się z dwóch metastabilnych konfiguracji strukturalnych, z których jedna musiała być bardziej zwarta od drugiej. Osiągnięcie zamierzonego celu mogło wystąpić tylko wtedy, gdy pierwszy z materiałów potrafiłby „przeskoczyć” do stanu „bardziej zwartego” w przypadku, gdy siła przyłożona do niego wzrosłaby poza pewną graniczną wartość.

Pomimo tych trochę dziwacznych wymagań, naukowcy korzystając z symulacji uwzględniających dynamikę molekularną stwierdzili, że taki materiał mógłby rzeczywiście zostać skonstruowany, bez naruszania jakichkolwiek zasad fizyki. „Najprostszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie elementów charakteryzujących się wysoką sprężystością np. takich jak guma. W zależności od sposobu montażu małych kawałków gumy, można by otrzymać materiał, który zachowywałby się w taki sposób, jaki proponujemy w naszej pracy”, powiedział Motter.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com