Исследовательская группа из университетов Осаки, Дзёна и Токио математически раскрыла механизм, вызывающий заострение кончиков трещин при быстром разрушении резины.
Стремительное разрушение резины
Взрыв резиновых шаров или внезапный разрыв шин происходит из-за быстрого разрушения, явления, при котором небольшая трещина распространяется мгновенно. Во время этого процесса кончик трещины заостряется, ускоряя разрушение. Однако причина этого заострения долгое время оставалась необъяснённой. Традиционно считалось, что это результат сложных нелинейных эффектов материала.
Решение проблемы распространения трещин
Группа исследователей, в которую входят Хокуто Нагатакия (аспирант), Сюнсуке Кобаяши (доцент) и Рюичи Таруми (профессор Университета Осаки), вместе с Наоюки Сакумичи (доцент Университета Дзёна и ассоциированный профессор Университета Токио), математически решила проблему распространения трещин. Они вывели уравнения, описывающие как форму трещины, так и общую деформацию материала.
Этот прорыв, опубликованный в журнале Physical Review Research, демонстрирует, что заострение кончика трещины в полимерных материалах, таких как резина, возникает исключительно из-за их фундаментального свойства — вязкоупругости. Кроме того, команда математически доказала теорию вязкоупругой трубы, предложенную почти 30 лет назад нобелевским лауреатом по физике Пьером-Жилем де Женом, основываясь на фундаментальных уравнениях механики сплошных сред.
Практическое применение
Эти результаты закладывают теоретическую основу для контроля трещин в широком спектре вязкоупругих материалов — от шин до медицинских изделий, способствуя повышению долговечности, предотвращению аварий и снижению воздействия на окружающую среду за счёт увеличения срока службы продукции.
Оптические системы, эмулирующие параллельные пространства
Исследователи использовали нелокальные искусственные материалы для создания оптических систем, имитирующих параллельные пространства, червоточины и множественные реальности. Один материал действует как два различных оптических носителя или устройства одновременно, позволяя свету испытывать разные свойства в зависимости от границ входа. Демонстрации включают невидимые оптические туннели и сосуществующие оптические устройства, открывая новые возможности для компактных многофункциональных оптических устройств за счёт введения нелокальности как новой степени свободы для управления светом.
Нелокальность как новая степень свободы
Что если одно пространство могло бы занимать два разных объекта одновременно, в зависимости от того, как фотоны получают доступ к этому пространству? Учёные воплотили эту научно-фантастическую концепцию в жизнь, создав оптические системы, имитирующие экзотические явления параллельных вселенных и червоточин.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, китайские учёные использовали нелокальные искусственные материалы для разработки «фотонных параллельных пространств». Манипулируя сдвинутыми дисперсионными соотношениями в пространстве импульсов, им удалось создать единый материал, который ведёт себя как два различных оптических носителя или устройства одновременно.
Свет, входящий с одной границы, испытывает один набор оптических свойств, в то время как свет, входящий в пространство с другой границы, сталкивается с совершенно другим набором, без помех между ними. Это имитирует волшебный шкаф из «Льва, колдуньи и платяного шкафа», где разные двери ведут в отдельные миры, расположенные в одном месте (за дверью).
«Этот подход позволяет нам имитировать явления более высоких измерений в фотонной лаборатории», — сказал Юнь Лай, профессор школы физики Нанкинского университета. «Мы как бы размещаем две оптические реальности в одном материале, открывая дверь для компактных многофункциональных устройств, которые ранее были невообразимы».
Команда продемонстрировала два замечательных явления. Во-первых, в микроволновых экспериментах исследователи разработали удлинённый нелокальный искусственный материал, действующий как фотонная «червоточина», то есть невидимые оптические туннели. Когда гауссов пучок входит с короткой стороны, он удерживается в материале и передаётся так, как будто проходит через волновод с нулевым показателем преломления. Когда луч падает на длинную сторону, материал демонстрирует почти нулевое отражение из-за всенаправленного согласования импеданса в параллельном фотонном пространстве, делая его практически невидимым для внешнего света.
Во-вторых, они достигли «фотонных множественных реальностей», где один и тот же материал имитирует произвольные оптические объекты или устройства в зависимости от границы входа. В одном примере материал рассеивает свет как объект в форме лодки для света от одной границы, но ведёт себя как рассеиватель света в форме дерева от другой границы. В другом примере он одновременно функционирует как выпуклая линза и как вогнутая линза, работая независимо, как если бы две линзы были расположены в отдельных измерениях.
«Мы не создаём настоящие червоточины или мультивселенные, но делаем эти концепции практическими для инженерии», — отметил исследователь. «Это может произвести революцию в ряде областей, от высокоинтегрированных фотонных чипов и компактных оптических систем до фотонной обработки информации, используя нелокальность как новую степень свободы».
Этот прорыв может трансформировать интегрированную фотонику, позволяя создавать более плотные оптические устройства без перекрёстных помех и множественных функций, сосуществующих в одном пространстве. Имитируя физику высоких измерений, эта работа открывает путь к многофункциональным устройствам, которые выходят за рамки своих размерных ограничений, предвещая новую эру для фотоники и не только.