Современные метаматериалы весьма походят на технологии, известные нам по научной фантастике. За счет уникальных свойств таких материалов можно создавать невероятные вещи, плащи-невидимки, скрывающие объекты в различных длинах волн электромагнитного спектра, а на практике такие технологии уже используются в антеннах мобильных телефонов, к примеру. Отметим, что все метаматериалы, о которых мы не раз рассказывали на страницах нашего сайта, имеют набор пусть и уникальных, но фиксированных свойств, что значительно ограничивает область их применения. Но не так давно исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (awrence Livermore National Laboratory, LLNL) и Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали новый класс метаматериалов — механические метаматериалы, которые могут становиться твердыми или гибкими в ответ на воздействие внешнего магнитного поля.
Для создания нового чудо-метаматериала исследователи использовали так называемую технологию 4D-печати. Название эта технология получила от того факта, что объекты, изготовленные при помощи трехмерной печати, могут изменять свою форму с течением времени, которое выступает в роли четвертого измерения. Как правило, изменения формы объекта происходят под влиянием какого-либо внешнего фактора — высокой температуры, гидратации, воздействия магнитного или электрического поля.
Основой новой технологии стали материалы, способные реагировать на внешние поля (FRMM, field-responsive metamaterial). Однако, в отличие от материалов, используемых в других технологиях 4D-печати, FRMM-материалы не изменяют свою форму, изменения затрагивают некоторые из их физических свойств, твердость, в данном случае. Создание FRMM-материалов оказалось достаточно простым делом — вместо монолитной структуры печатаемого объекта формируется трубчатая полая структура. И эти полости на следующем этапе заполняются специальной магнитной жидкостью.
Магнитная жидкость состоит из крошечных частиц магнитного материала, равномерно размешанных в объеме немагнитного растворителя. Когда такая жидкость попадает под воздействие внешнего магнитного поля, частицы в ее объеме упорядочиваются, выравниваясь вдоль линий магнитного поля, и материал превращается практически в твердый монолит. При отсутствии магнитного поля магнитная жидкость ведет себя как обычная вязкая жидкость, способная свободно течь в любом направлении.
«Тщательный расчет элементов трубчатой структуры метаматериала и состава магнитной жидкости позволил нам получить 318-процентное увеличение твердости материала под влиянием магнитного поля» — пишут исследователи, — «При этом, трансформация свойств материала происходит менее чем за секунду времени».
Исследователи прогнозируют, что новый тип FRMM-материала может использоваться для изготовления подвижных элементов «мягких» роботов, элементов «умных» носимых электронных устройств и во множестве других областей применения. Однако, прежде чем практическое использование FRMM-материалов станет экономически выгодным, ученым потребуется разработать новые технологии производства, позволяющие выпускать такие материалы в промышленных количествах и по низкой стоимости.