Учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) и их коллеги создали новый класс программируемых мягких материалов, которые могут поглощать удары как никогда раньше, а также изменять форму при нагревании.
Исследование открывает новые возможности
Исследование, в котором приняли участие учёные из Гарвардского университета, Калифорнийского технологического института (Caltech), Сандийских национальных лабораторий и Орегонского государственного университета, открывает двери для создания более умных, лёгких и устойчивых материалов, которые реагируют на окружающий мир. Статья [опубликована](https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202420048) в журнале Advanced Materials.
Материалы, созданные с помощью жидких кристаллических эластомеров
Материалы созданы на основе жидких кристаллических эластомеров (LCE) — резиновых полимеров, которые меняют форму в ответ на тепло, свет или напряжение. Команде удалось напечатать материалы на 3D-принтере в виде тщательно разработанных решётчатых структур. Эти решётки можно спроектировать так, чтобы они поглощали энергию, становились жёстче, мягче или даже меняли форму в зависимости от их архитектуры и условий окружающей среды.
«Что меня больше всего радует, так это беспрецедентный уровень контроля, который мы теперь имеем — от молекулярного масштаба до макроскопической структуры, — сказал первый автор и инженер LLNL Родриго Теллес. — Это открывает новые возможности для создания материалов с настраиваемыми механическими свойствами».
Уникальное поведение под нагрузкой
Исследователи отмечают, что уникальность материалов заключается в их поведении под нагрузкой. В отличие от обычных материалов, таких как силикон или пенопласт, которые фиксируют свои механические свойства во время производства, LCE обладают так называемой «мягкой эластичностью». Их молекулярная структура переориентируется под нагрузкой, придавая материалу необычайную способность поглощать энергию и восстанавливаться после деформации.
В испытаниях структуры были мягкими и гибкими при медленном сжатии, но при быстром воздействии — с очень высокими скоростями — они поглощали до 18 раз больше энергии, чем аналогичные решётки на основе силикона. И в отличие от обычных резиновых конструкций, которые часто трескались или разрушались при повторных ударах, решётки из LCE оставались неповреждёнными, что делает их перспективными для использования в защитных приспособлениях, аэрокосмических деталях и роботизированных системах, изменяющих форму.
«Устойчивость обусловлена уникальным поведением LCE под нагрузкой», — объяснила соавтор Элейн Ли, руководитель группы по работе с чувствительными и активными материалами и производству. — «Когда решётка испытывает высокоскоростной удар, молекулы жидкого кристалла внутри эластомера быстро переориентируются, рассеивая энергию по всей структуре, а не допуская локализованных повреждений».
Тщательное выравнивание молекулярной структуры
Исследователи достигли этого, тщательно выровняв молекулярную структуру LCE во время специального 3D-процесса печати. Каждый микроскопический луч внутри решётки выровнен подобно мышечным волокнам во время печати благодаря специальному процессу экструзии, который ориентирует молекулы LCE при их нанесении. Это встроенная направленность позволяет исследователям программировать поведение изменения формы, например, сжатие в одном направлении и расширение в другом при нагревании.
Команда также разработала компьютерные модели для имитации поведения материала. Когда температура повышается, решётки сжимаются в некоторых направлениях и расширяются в других. А при сильном ударе они могут изгибаться и отскакивать, а не трескаться.
Исследователи также обнаружили, что в то время как обычные силиконовые конструкции часто повреждались или разрушались после высокоскоростного удара, решётки из LCE оставались неповреждёнными даже после многократных ударов, что делает их идеальными для многократного использования в сложных условиях. В будущем команда планирует изучить более сложные конструкции решёток и расширить применение в динамических приложениях, таких как бронежилеты, которые реагируют на удар в реальном времени, или биомедицинские устройства, которые изгибаются и двигаются вместе с телом.
Предоставлено [Lawrence Livermore National Laboratory](https://phys.org/partners/lawrence-livermore-national-laboratory/)