В науке и инженерии редко случается так, что новое открытие приходит одним махом. Обычно это тяжёлый и кропотливый путь, на котором необычное постепенно становится обычным. Но сейчас, похоже, мы как раз дошли до такого переломного момента, когда речь заходит об инженерных конструкциях с невиданными механическими свойствами — их называют механическими метаматериалами.

Команда исследователей из Мичиганского университета и Научно-исследовательской лаборатории Военно-воздушных сил США (AFRL) показала, как с помощью 3D-печати создавать замысловатые трубы. Их сложное устройство позволяет глушить вибрации. Это может пригодиться везде, где нужно гасить нежелательную тряску: в транспорте, строительстве и не только.

Новое исследование вышло в журнале Physical Review Applied. Оно опирается на многолетние теоретические и компьютерные выкладки. Учёные создали структуры, которые мешают вибрации перебираться из одного конца в другой.

Джеймс МакАйнерни, научный сотрудник AFRL, объясняет:

В этом и есть настоящая новизна — наконец-то удалось воплотить задумку в реальность.

Раньше он работал в Мичиганском университете с профессором физики Сяомин Мао, которая тоже участвовала в исследовании. МакАйнерни говорит с оптимизмом: такие трубы можно применять во благо — в частности, для изоляции от вибраций.

Работу частично финансировало Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), Управление военно-морских исследований, а также программа Национального исследовательского совета США. Среди авторов — Серифе Тол (Мичиганский университет), Отман Удгири-Идрисси (Техасский университет), Карсон Уилл и Эбигейл Джул (AFRL).

Как говорит Сяомин Мао, веками люди улучшали материалы за счёт химии. Но метаматериалы работают иначе: полезные и необычные свойства им придаёт геометрия, а не химический состав. Эти геометрические принципы действуют и на нанометровом, и на метровом масштабе, что даёт огромную надёжность.

Структурные основы

МакАйнерни отмечает:

В новой работе соединились старая добрая строительная механика, сравнительно новая физика и передовые технологии вроде 3D-печати.

Скоро, по его словам, мы сможем изготавливать материалы с сумасшедшей точностью. Задача в том, чтобы создавать материалы с заданной архитектурой, а не просто использовать привычные.

Мао подчёркивает: учёные не меняют химию и не трогают молекулы. Они придают точную форму обычному материалу, чтобы получить новые полезные свойства. В природе так работают, например, кости человека или панцири планктона — их сложная геометрия позволяет выжать максимум из того вещества, из которого они сделаны. С помощью 3D-печати теперь можно применить тот же подход к металлам, полимерам и другим материалам. Речь не о том, чтобы заменить сталь и пластик, а о том, чтобы использовать их эффективнее.

Новое встречается со старым

Хотя работа опирается на современные технологии, у неё глубокая история. Например, тут пригодились идеи знаменитого физика XIX века Джеймса Клерка Максвелла. Он известен электромагнетизмом и термодинамикой, но успел внести вклад и в механику: разработал правила для создания устойчивых конструкций из повторяющихся ячеек — их называют решётками Максвелла.

Второй важный источник — открытия второй половины XX века. Тогда физики заметили, что на краях и границах материалов возникают интересные и загадочные эффекты. Так появилась новая область — топология, которая до сих пор активно развивается. Примерно десять лет назад вышла одна важная работа, где выяснили, что решётки Максвелла могут иметь топологическую фазу.

Последние несколько лет МакАйнерни с коллегами изучали, как это можно применить для борьбы с вибрациями. Они построили модель, объясняющую поведение таких материалов и подсказывающую, как спроектировать реальный объект. Теперь команда доказала, что модель работает: они напечатали нужные объекты из нейлона на 3D-принтере.

Если мельком взглянуть на эти конструкции, сразу понятно, почему раньше их никто не делал. Они похожи на сетку-рабицу, которую сложили, свернули в трубку с внутренним и внешним слоями. Физики называют их трубками кагоме — в честь японского плетения корзин с похожим узором.

МакАйнерни предупреждает:

Это только первый шаг. Исследование показало неприятную закономерность: чем лучше конструкция глушит вибрации, тем меньший вес она выдерживает. Для реальных применений это может оказаться слишком дорогой платой. Но именно здесь скрываются самые интересные вопросы.

Когда появляются такие необычные структуры, инженерам и учёным приходится заново придумывать методы их испытаний и оценки. Это и есть главный вызов. МакАйнерни говорит: мы до сих пор не просто уточняем модели, а выясняем, как именно их тестировать, какие выводы делать из тестов и как внедрять эти выводы в процесс проектирования. И только ответив на эти вопросы, можно будет говорить о конкретных применениях.

Для науки эта работа интересна тем, что впервые удалось сделать нечто, существовавшее только в теории и компьютерных моделях. Это как нарисовать чертёж необычного моста, а потом реально его построить и убедиться, что он стоит. Теперь у физиков появился полигон для отработки идей — они могут не просто вычислять на бумаге, а брать в руки напечатанную трубку и проверять, как именно она гасит вибрации. Это приближает тот момент, когда топология перестанет быть чистой математикой и станет инженерным инструментом.

В реальной жизни польза может оказаться огромной, хотя и не сразу бросается в глаза. Представьте: стиральная машина, которая не прыгает при отжиме, потому что её опоры сделаны из такого материала. Или спутник, где чувствительная аппаратура не чувствует дрожи ракеты-носителя при запуске. Или мост, который не резонирует от ветра и машин. Или лопасти вертолёта, передающие меньше вибрации на фюзеляж. В общем, всё, что трясётся, жужжит и передаёт дрожь от одной части к другой, можно сделать тише и надёжнее без сложной электроники и активных систем — просто за счёт внутренней геометрии материала.

Авторы сами честно указывают на главный минус: чем эффективнее материал гасит вибрации, тем меньше веса он выдерживает. Это не просто техническая мелочь, а фундаментальное ограничение. В реальной жизни любой конструкции приходится одновременно и что-то нести, и не дрожать. Если для изоляции вибраций мы жертвуем прочностью, то область применения резко сужается. Например, для несущих элементов зданий или деталей самолёта такой компромисс может оказаться неприемлемым. Кроме того, в статье не приводятся количественные цифры — насколько именно падает несущая способность при росте виброгашения. Без этих данных трудно понять, стоит ли овчинка выделки. Также остаётся неясным, как поведут себя напечатанные из нейлона трубки при долгой нагрузке, при перепадах температур или во влажной среде. Нейлон штука капризная, а для реальной эксплуатации нужны предсказуемость и долговечность.

Ранее ученые в качестве датчика вибрации использовали молекулу.