Звуковые волны впервые позволили дистанционно и точно контролировать внутренние изломы в материалах
Ученые нашли способ управлять свойствами материалов с помощью звука. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Мичиганского университета и французского Национального центра научных исследований (CNRS) обнаружили, что акустические волны определенной частоты позволяют дистанционно изменять поведение материала, открывая путь к созданию устройств, способных адаптивно регулировать свою жесткость.
В центре внимания исследователей оказались так называемые механические изломы — микроскопические локальные структуры, которые служат границами между двумя различными внутренними состояниями внутри одного материала. По обе стороны от такого излома атомы или структурные элементы могут быть идентичны, однако их трехмерная ориентация различается, что приводит к кардинально разным механическим свойствам. Именно эти изломы играют ключевую роль в определении того, где материал начнет деформироваться, будь то процесс изгиба металла или разделение цепочек ДНК.
Возможность контролировать движение изломов давно привлекает материаловедов, поскольку их смещение способно полностью изменить поведение материала, делая одни его зоны мягкими, а другие — жесткими. Однако до сих пор точное управление оставалось сложной задачей: в большинстве материалов изломы удерживаются на месте энергетическими барьерами, а предыдущие эксперименты показывали, что звуковые волны перемещают их хаотично и непредсказуемо.
Группе ученых под руководством Николаса Бёклера, профессора кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии Школы инженерии имени Джейкобса при Калифорнийском университете в Сан-Диего, удалось преодолеть это ограничение. Они создали модельный материал, в котором для смещения излома не требуется энергии — редкое и уникальное свойство. Этого удалось достичь за счет конструирования материала таким образом, чтобы его механическое поведение определялось внутренней структурой, а не химическим составом.
В этой модели расположение излома напрямую задает жесткость материала: область вокруг излома всегда остается мягкой, в то время как жесткость увеличивается по мере удаления от него. Перемещая излом к одному из концов, можно сделать мягкой одну сторону и жесткой противоположную, а поместив его в центр, исследователи получают возможность смягчить середину, оставив края твердыми.
Бёклер сравнил это открытие с созданием акустического «тягового луча», способного сдвигать излом и изменять распределение жесткости материала, формируя контролируемые градиенты этого параметра по требованию. Благодаря отсутствию энергетических барьеров в модельном материале, команда смогла перемещать излом не только надежно, но и точными, поэтапными шагами.
Отправляя звуковые волны с одной стороны, исследователи заставляли излом двигаться к источнику звука. Небольшой акустический импульс слегка подталкивает его, а каждый последующий импульс продвигает дальше. Таким образом, ученые разработали метод удаленного управления внутренним состоянием материала.
Для проверки своей концепции команда создала полноразмерную модель, состоящую из набора вращающихся дисков, соединенных пружинами. Каждый диск выступал в роли атома, а пружины имитировали межатомные связи. Один из дисков, настроенный особым образом, выполнял функцию излома. Короткие импульсы звуковых волн позволяли сдвигать этот излом на несколько дисков за раз по направлению к источнику звука. Повторяющиеся импульсы перемещали его шаг за шагом, а более продолжительные вибрации протягивали излом через всю цепочку, полностью меняя то, какая сторона модели становилась мягкой, а какая — жесткой.
Проведенное исследование демонстрирует, что ученые могут достичь беспрецедентного контроля над механическими изломами с помощью звука. Важно отметить, что движением управляют только определенные частоты, а компьютерное моделирование подтвердило, что звуковые волны передают достаточно импульса для перемещения излома, даже несмотря на частичное отражение волн. Эта работа открывает многообещающий путь для точной настройки жесткости материалов и формирования их механических свойств по мере необходимости.