Mokslininkai sukūrė medžiagą, pasižyminčią neįprastomis savybėmis

Kai pirštu paliečiame stiklą, metalą ar plastiką, jų elgesį dažniausiai galima numatyti: vieni paviršiai linksta, kiti skyla, treti deformuojasi ir nebegrįžta į ankstesnę formą. Tačiau laboratorijose kuriamos struktūros vis dažniau verčia iš naujo apibrėžti, ką apskritai reiškia „medžiagos savybė“. Kartais svarbiausia tampa ne cheminė sudėtis, o tai, kaip išdėstytos vos mikroskopinės jos dalys.

Svarbiausia ne tai, iš ko medžiaga pagaminta

Tyrėjai sukūrė vadinamąją metamedžiagą – struktūrą, kurios elgesį lemia ne vien atomai ar molekulės, bet ir tiksliai suprojektuota vidinė geometrija. Tokios medžiagos gali būti gaminamos iš įprastų komponentų, tačiau jų savybės tampa neįprastos dėl pasikartojančių mikroskopinių raštų.

Šiuo atveju medžiagos viduje suformuoti itin smulkūs elementai, išdėstyti taip, kad į juos patekusi energija būtų nukreipiama kontroliuojamu būdu. Tai gali būti šviesa, garsas, šiluma arba mechaninė jėga. Kitaip tariant, mokslininkai kuria ne tik naują medžiagą, bet ir tam tikrą „elgesio scenarijų“ jai.

Įprastose medžiagose šviesa ar garsas sklinda pagal gamtos dėsnius, kuriuos galima pakeisti tik ribotai. Metamedžiagų atveju situacija kitokia: jų struktūra leidžia valdyti bangų kryptį, greitį ir sklidimo būdą. Todėl laboratorinis mėginys gali atlikti tai, ko neįmanoma pasiekti naudojant paprastą metalą, stiklą ar plastiką.

Keistos savybės atsiranda mikroskopiniame lygyje

Viena įdomiausių tokių struktūrų savybių – neįprastas atsakas į išorinį poveikį. Medžiaga gali būti labai lengva, tačiau kartu atlaikyti didelę apkrovą. Ji gali absorbuoti smūgį, o vėliau grįžti į pradinę formą. Kai kurios panašios struktūros geba selektyviai praleisti vieno dažnio bangas ir blokuoti kitas.

Mokslininkams pavyko sukurti geometriją, kurioje atskiri elementai veikia tarsi maži mechaniniai svertai. Suspaudus medžiagą, jie ne tiesiog susiglaudžia, o persitvarko taip, kad visa struktūra tampa atsparesnė. Įprastai medžiagos deformacija reiškia jos silpnėjimą, tačiau čia deformacija gali būti panaudojama papildomam stabilumui sukurti.

Tokį efektą galima palyginti su pastoliais arba korio sienelėmis. Tuščios ertmės sumažina svorį, o iš anksto apskaičiuotos jungtys paskirsto apkrovą per visą konstrukciją. Skirtumas tas, kad laboratorinėse struktūrose šis principas taikomas daug mažesniu mastu, todėl galima tiksliai kontroliuoti, kaip medžiaga reaguos į skirtingą spaudimą ar vibraciją.

Neįprastas elgesys nėra magija. Jį lemia fizika, kurią mokslininkai pirmiausia išbando kompiuteriniuose modeliuose, o vėliau perkelia į realų mėginį. Gamybai dažnai naudojamas 3D spausdinimas arba kitos precizinės technologijos, leidžiančios suformuoti sudėtingą vidinę struktūrą, kurios neįmanoma pagaminti įprastais būdais.

Nuo laboratorinio mėginio iki praktinės technologijos

Tokios medžiagos potencialas ypač domina aviacijos, kosmoso ir automobilių pramonę. Kiekvienas sutaupytas gramas lėktuve ar palydove gali sumažinti energijos sąnaudas, tačiau vien lengvumo nepakanka – konstrukcija turi atlaikyti vibraciją, temperatūrų kaitą ir smūgius.

Metamedžiagos taip pat galėtų būti naudojamos apsauginiuose šalmuose, sporto įrangoje, pastatų konstrukcijose ar net mobiliuosiuose įrenginiuose. Jei medžiaga geba sugerti tam tikro dažnio vibracijas, ją galima pritaikyti siekiant sumažinti variklių keliamą triukšmą. Jei ji veiksmingai nukreipia šilumą, atsiranda galimybių kurti plonesnes ir lengvesnes aušinimo sistemas.

Dar viena perspektyvi sritis – medicinos įrenginiai. Tiksliai suprojektuotos porėtos struktūros galėtų būti pritaikytos implantams, kuriuose svarbus ne tik atsparumas, bet ir suderinamumas su žmogaus audiniais. Ertmių dydį ir formą būtų galima pritaikyti taip, kad į jas galėtų įaugti ląstelės arba prasiskverbti kraujagyslės.

Vis dėlto tarp veikiančio prototipo ir masinės gamybos dar laukia ilgas kelias. Laboratorijoje pagaminti nedidelį, nepriekaištingos geometrijos mėginį yra viena užduotis, o sukurti tūkstančius vienodų, patvarių ir nebrangių gaminių – visai kita. Reikės išbandyti, kaip struktūra sensta, kaip ją veikia drėgmė, karštis, šaltis ir pakartotinės apkrovos.

Mokslininkai ieško būdų medžiagą „užprogramuoti“

Šio tyrimo reikšmė slypi ne tik viename naujame prototipe. Kuriama kryptis, kurioje medžiagos savybės gali būti iš anksto suplanuojamos dar prieš pradedant gamybą. Kompiuterinis modelis leidžia numatyti, kaip konkreti forma elgsis veikiama smūgio, garso ar šviesos, o gamybos įranga tą modelį paverčia fiziniu objektu.

Ateityje tai gali pakeisti įprastą požiūrį į medžiagų kūrimą. Vietoj to, kad būtų ieškoma jau egzistuojančios medžiagos konkrečiai užduočiai, būtų projektuojama tokia struktūra, kuri tiksliai atlieka norimą funkciją. Viena medžiaga galėtų būti skirta vibracijoms slopinti, kita – šilumai nukreipti, trečia – smūgio energijai paskirstyti.

Tačiau kol kas dauguma tokių sprendimų tebėra ankstyvoje stadijoje. Tyrėjams dar reikia suderinti neįprastas savybes su patikimumu, gamybos kaina ir aplinkosaugos reikalavimais. Kai kurios laboratorinės struktūros atrodo įspūdingai tik idealiomis sąlygomis, o realiame pasaulyje susiduria su nusidėvėjimu ar gamybos netikslumais.

Vis dėlto kryptis aiški: ateities medžiagos bus vertinamos ne vien pagal tai, iš kokių elementų jos sudarytos. Vis svarbesnė taps jų architektūra – nematomas vidinis tinklas, galintis paversti lengvą struktūrą atsparia, o paprastą paviršių – sudėtingu šviesos, garso ar energijos valdikliu.