“`html
В 160 раз больше энергии от скручивания: прорыв в метаматериалах меняет представление о хранении энергии
Международная группа исследователей создала революционный класс механических метаматериалов. Они способны накапливать и высвобождать упругую энергию на беспрецедентном уровне. Это открывает новые горизонты для хранения энергии. Умное решение со скрученными стержнями позволило преодолеть традиционные ограничения. В результате энтальпия (мера запасаемой энергии) возросла от 2 до 160 раз по сравнению с существующими материалами.
Преодоление ограничений традиционных материалов
Традиционные упругие материалы имеют предел. Они могут накапливать энергию при деформации, например, при растяжении или сжатии. Однако при сжатии или изгибе они часто теряют устойчивость. Это явление называется потерей устойчивости или баклингом. Оно похоже на то, как линейка внезапно изгибается, если на нее сильно надавить с торцов. В итоге это ограничивает количество запасаемой энергии. Материал просто ломается или необратимо деформируется до того, как накопит значительный запас энергии.
Инновационный подход: скручивание и спиральная форма
Исследователи применили нестандартный подход. Они использовали тонкие скрученные стержни в качестве базовых элементов. Затем интегрировали их в новую структуру метаматериала. Предварительное скручивание создает начальное внутреннее напряжение в стержнях. Это позволяет им запасать гораздо больше энергии *до* момента потери устойчивости. Кроме того, благодаря этой структуре, стержни при сжатии деформируются по предсказуемой спиральной (винтовой) траектории. Это предотвращает внезапное и неконтролируемое разрушение. Материал плавно высвобождает накопленную энергию.
Впечатляющие результаты: энергия и энтальпия
Результаты оказались поразительными. Новый метаматериал показал энтальпию (термодинамическую меру запасенной энергии) в 2-160 раз выше, чем у существующих материалов без предварительного напряжения. Это значительный скачок в возможностях накопления упругой энергии. Данный прорыв предлагает новые пути для эффективного хранения энергии в механических системах. Цифры показывают огромный потенциал этого подхода.
Междисциплинарное сотрудничество и методы
Это достижение стало результатом совместной работы ученых из разных стран и дисциплин. Они объединили теоретические расчеты и продвинутое компьютерное моделирование. Также были проведены тщательные физические эксперименты. Такой комплексный подход позволил не только предсказать, но и на практике подтвердить уникальные свойства нового метаматериала.
Потенциальные применения: от робототехники до амортизаторов
Новый метаматериал имеет широкий спектр потенциальных применений. Например, в робототехнике его можно использовать для создания:
* Мягких захватов, способных аккуратно брать хрупкие предметы.
* Прыгающих роботов, накапливающих энергию для мощного прыжка.
Также он может применяться в:
* Многоразовых амортизаторах для транспортных средств или защитного оборудования. Они смогут эффективно поглощать и затем контролируемо высвобождать энергию удара.
* Устройствах для сбора энергии (energy harvesting) из окружающей среды, например, из вибраций.
Все эти приложения основаны на улучшенных возможностях материала по накоплению и высвобождению энергии, что тесно связано с концепцией механического хранения энергии.
Будущие исследования и разработки
Работа ученых еще не закончена. Они планируют исследовать использование других материалов для создания стержней. Цель – дальнейшая оптимизация свойств метаматериала и адаптация его под конкретные задачи. Возможно, будут найдены еще более эффективные конфигурации и геометрии скрученных элементов.
В заключение, этот метаматериал представляет собой значительный прорыв. Он меняет правила игры в области накопления упругой энергии. Способность запасать в 160 раз больше энергии благодаря простому, но гениальному подходу со скручиванием, открывает захватывающие перспективы для множества технологий будущего.
“`