Группа исследователей, включая учёных из Мичиганского университета, разработала новый метод наблюдения, чувствительный к динамике внутренних квантовых колебаний материалов — фононов.
Эта работа поможет учёным и инженерам лучше проектировать метаматериалы — вещества, обладающие экзотическими свойствами, редко встречающимися в природе. Метаматериалы можно перестраивать, они создаются из растворов, содержащих наночастицы, которые самоорганизуются в более крупные структуры.
«Это открывает новое направление исследований, где наноразмерные строительные блоки — вместе с их внутренними оптическими, электромагнитными и химическими свойствами — могут быть включены в механические метаматериалы, что позволит создавать новые технологии в различных областях: от робототехники и машиностроения до информационных технологий», — сказал Сяоминг Мао, профессор физики Мичиганского университета и соавтор нового исследования.
Фононы и их роль
Фононы — это квантово-механическое описание общих свойств, наблюдаемых в различных контекстах, включая передачу тепла, поток звука и даже сейсмические волны, образующиеся при землетрясениях.
Некоторые материалы, как искусственные, так и природные, разработаны для перемещения фононов по определённым путям, придавая им особые механические свойства. Два примера из реальной жизни включают материалы, используемые в конструкциях для сопротивления сейсмическим волнам во время землетрясений, и эволюцию прочных, но лёгких скелетов глубоководных губок, которые позволяют организмам выдерживать экстремальные давления глубоководной среды.
Наблюдение динамики фононов
Используя метод жидкофазной электронной микроскопии, разработанный в лаборатории Иллинойского университета, новое исследование впервые позволило наблюдать динамику фононов в самоорганизующихся наночастицах, действуя как новый тип механических метаматериалов, — сказал Цянь Чен, профессор материаловедения и инженерии в Иллинойском университете.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, объединяет сборку наночастиц с принципами механических метаматериалов, позволяя проектировать механические свойства с помощью структурного проектирования. Проект является результатом четырёхлетней совместной работы Чэнь, которая возглавляла часть исследования, связанного с материаловедением и экспериментами, Мао из Мичиганского университета, который руководил теоретической частью и частью, посвящённой механическим метаматериалам, и Вэньсяо Пань, доцентом кафедры машиностроения в Университете Висконсин-Мэдисон, который руководил частью, посвящённой моделированию.
«Дизайн метаматериалов — это очень активное поле исследований, — сказала Чен. — Большинство исследований сосредоточено на макромасштабном уровне, где легче контролировать геометрию и структуру, а также измерять и моделировать свойства фононов».
Но Чен и её коллеги работают на наноуровне, где как инженерные, так и теоретические подходы к управлению фононами сложны. Для решения этой проблемы команда использовала точное теоретическое моделирование в сочетании с экспериментами, методами наблюдения и симуляциями, ускоренными с помощью машинного обучения, для разработки новой основы проектирования метаматериалов.
В лаборатории, используя жидкофазную электронную микроскопию, команда исследовала траектории колебаний золотых наночастиц для определения фононных зон, а затем сопоставила эти структуры с дискретной механической моделью для извлечения наноразмерных пружин.
«Эта работа также демонстрирует потенциал машинного обучения для продвижения изучения сложных систем частиц, позволяя наблюдать за их путями самоорганизации, управляемыми сложной динамикой», — сказал Пань. «Это открывает новые возможности для проектирования реconfigurable коллоидных метаматериалов с помощью машинного обучения и искусственного интеллекта».
«Мы чувствуем, что находимся на большом пересечении дисциплин, сотрудничества и необходимости продвижения в области материаловедения», — сказала Чен. «С помощью сборки наночастиц мы можем проектировать структуры с очень контролируемой геометрией, а затем с помощью механических метаматериалов адаптировать теоретическую основу проектирования материалов».
Предоставлено:
[University of Michigan](https://phys.org/partners/university-of-michigan/)