Сложная геометрия метаматериалов, созданных с помощью 3D-печати, позволяет гасить механические вибрации. Группа исследователей под руководством учёных из Мичиганского университета и Исследовательской лаборатории ВВС (AFRL) продемонстрировала, как можно напечатать сложные трубки, которые используют свою структуру для подавления вибраций.
Такие структуры могут быть полезны в различных приложениях, где требуется гашение вибраций, включая транспорт, гражданское строительство и другие области. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Applied, основано на десятилетиях теоретических и вычислительных исследований для создания структур, которые пассивно препятствуют распространению вибраций.
Инновации в инженерии
В науке и инженерии инновации редко приходят сразу. Обычно это кропотливый путь, на котором экстраординарное постепенно становится обыденным. Однако мы можем быть на переломном этапе этого пути, когда речь идёт о инженерных структурах, чьи механические свойства не имеют аналогов в природе, также известных как механические метаматериалы.
Применение в практике
«Это место, где настоящая новизна. Мы можем делать такие вещи», — сказал Джеймс МакИнерни, научный сотрудник AFRL. МакИнерни ранее был докторантом в U-M, работал с Сяомин Мао, профессором физики, который также является автором нового исследования.
«Мы оптимистичны, что эти материалы можно будет применять в благих целях. В данном случае это изоляция вибраций», — сказал МакИнерни.
Сериф Толь, доцент кафедры машиностроения в U-M, внесла свой вклад в исследование, как и Отман Удгхири-Идрисси из Университета Техаса, Карсон Уилли и Эбигейл Юл из AFRL.
«На протяжении веков люди улучшали материалы, изменяя их химический состав. Наша работа основана на области метаматериалов, где именно геометрия, а не химия, порождает необычные и полезные свойства», — сказал Мао.
Новый металл и его свойства
Исследователи из Института Нильса Бора Копенгагенского университета направили очень тонкие проводники от сверхпроводимости к изоляции, создав «невозможное», странное состояние между двумя взаимоисключающими состояниями.
Материалы имеют решающее значение при работе с квантовыми состояниями. Какой бы материал ни использовался в качестве основы для создания контролируемых квантовых состояний, например, для построения приложений, использующих квантовые состояния для вычислений, сенсинга или связи, материалы часто определяют, насколько можно устранить постоянно присутствующий шум, который нарушает или даже разрушает желаемые «чистые» квантовые состояния или сигналы.
Группа под руководством Саулюса Вайтиекенаса, доцента Института Нильса Бора, создала то, что должно быть невозможным промежуточным состоянием между сверхпроводником (абсолютное отсутствие сопротивления или потери электрической связи) и полной изоляцией (полное отключение электрического сигнала).
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. Группа создала «коммутатор» с крошечными сверхпроводящими островками, оснащёнными регулятором напряжения, который позволял им контролировать взаимодействие между этими островками. Согласно старому предсказанию, система должна была перейти из сверхпроводящего состояния, когда островки «разговаривали» друг с другом, прямо в изолирующее, когда они были отключены.
Вместо этого исследователи обнаружили промежуточное состояние, в котором островки продолжают «разговаривать» друг с другом, но без сверхпроводимости. Из-за этого неожиданного поведения состояние называется аномальным металлическим режимом.
«Наше исследование проливает больше света на это состояние, указывая на то, что это квантовые флуктуации или, если быть более точным, неопределённость между сверхпроводящей фазой между островками и количеством частиц в островках в пределах нашего образца, которые порождают такое поведение», — говорит Вайтиекенас.
mechanical properties are unlike anything seen before in nature, also known as mechanical metamaterials. A team led by researchers at the University of Michigan and the Air Force Research Laboratory (AFRL) has shown how to 3D print intricate tubes that can use their complex structure to stymie vibrations.»,»Such structures could be useful in a variety of applications where people want to dampen vibrations, including transportation, civil engineering and more. The team’s new study, published in the journal Physical Review Applied, builds on decades of theoretical and computational research to create structures that passively impede vibrations trying to move from one end to the other.»,»\»That’s where the real novelty is. We have the realization: We can actually make these things,\» said James McInerney, a research associate at the AFRL. McInerney was previously a postdoctoral fellow at U-M working with Xiaoming Mao, a professor of physics, who is also an author of the new study.»,»\»We’re optimistic these can be applied for good purposes. In this case, it’s vibration isolation,\» McInerney said.»,»Serife Tol, U-M associate professor of mechanical engineering, contributed to the study, as did Othman Oudghiri-Idrissi of the University of Texas and Carson Willey and Abigail Juhl of the AFRL.»,»\»For centuries, humans have improved materials by altering their chemistry. Our work builds on the field of metamaterials, where it is geometry—rather than chemistry—that gives rise to unusual and useful properties,\» Mao said. \»These geometric principles can apply from the nanoscale to the macroscale, giving us extraordinary robustness.\»»,»The new study is a melding of old-school structural engineering, relatively new physics and advanced fabrication technologies, like 3D printing, that are becoming increasingly impressive, McInerney said.»,»\»There’s a real probability that we’re going to be able to manufacture materials from the ground up with crazy precision,\» he said. \»The vision is that we’re going to be able to create very specifically architectured materials and the question we’re asking is, \»What can we do with that? How can we create new materials that are different from what we’re used to using?’\»»,»As Mao said, though, the team isn’t tinkering with the chemistry or molecular composition of the materials. The researchers are investigating how they can use precise control of the shape of an arbitrary building material to elicit new and beneficial properties.»,»Human bones and plankton \»shells,\» for example, take advantage of this strategy in nature. They’re built with complex geometries to get more than you might expect out of the substances they’re made from. With tools like 3D printing, researchers can now apply that strategy to metals, polymers and other materials to engineer sought-after properties that haven’t been attainable previously.»,»\»The idea isn’t that we’re going to replace steel and plastics, but use them more effectively,\» McInerney said.»,»While this work does rely on modern innovations, it has important historical underpinnings. For one, there’s the work of the famous 19th century physicist, James Clerk Maxwell. Although he’s best known for his work in electromagnetism and thermodynamics, he also dabbled in mechanics and developed useful design considerations for creating stable structures with repeating subunits called Maxwell lattices, McInerney said.»,»Another key concept behind the new study emerged in the latter half of the 20th century, as physicists found that interesting and perplexing behaviors emerged near the edges and boundaries of materials. This led to a new field of study, known as topology, that’s still very active and working to explain these behaviors and to help capitalize on them in the real world.»,»\»About a decade ago, there was a seminal publication that found out that Maxwell lattices can exhibit a topological phase,\» McInerney said.»,»Over the last several years, McInerney and colleagues have explored the implications of that study as they pertain to vibration isolation. The team has built up a model explaining that behavior and how to design a real object that would exhibit it. The team has now proven that its model is at its most advanced stage yet by actually making such objects with 3D printed nylon.»,»A cursory look at the structures reveals why making them previously was such a challenge. They resemble a chain-link fence that’s been folded over and rolled up into a tube with a connected inner and outer layer. Physicists call these kagome tubes, a reference to traditional Japanese basket weaving that used similar patterns.»,»This is, however, just the first step in realizing the potential of such structures, McInerney said. For instance, the study also showed that the better a structure is at suppressing vibrations, the less weight it can support. That is a costly, potentially even unacceptable, tradeoff in terms of applications, but it highlights interesting opportunities and questions that remain at a fundamental level, he said.»,»As such novel structures are made, scientists and engineers are going to need to build new standards and approaches to test, characterize and assess them, which is a challenge that excites McInerney.»,»\»Because we have such new behaviors, we’re still uncovering not just the models, but the way that we would test them, the conclusions we would draw from the tests and how we would implement those conclusions into a design process,\» he said. \»I think those are the questions that honestly need to be answered before we start answering questions about applications.\»»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Michigan\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник