Механические метаматериалы — это искусственные структуры, механические свойства которых определяются их структурой, а не составом. Их можно рассматривать как аналог довольно известного семейства оптических метаматериалов . Их часто также называют эластодинамическими метаматериалами , и они включают акустические метаматериалы как частный случай исчезающего сдвига. Их механические свойства могут иметь значения, которые невозможно найти в природе. [1]
Примеры механических метаматериалов
Акустические/фононные метаматериалы
Акустические или фононные метаматериалы могут проявлять акустические свойства, не встречающиеся в природе, такие как отрицательный эффективный объемный модуль , [2] отрицательная эффективная плотность массы, [3] [4] или двойная отрицательность. [5] [6] Они находят применение в (в основном пока чисто научных) приложениях, таких как акустическая субволновая визуализация, [7] суперлинзирование, [8] отрицательное преломление [9] или трансформационная акустика. [10] [11]
Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (ауксетики)
Коэффициент Пуассона определяет, как материал расширяется (или сжимается) в поперечном направлении при продольном сжатии. Хотя большинство природных материалов имеют положительный коэффициент Пуассона (что соответствует нашей интуитивной идее о том, что при сжатии материала он должен расширяться в ортогональном направлении), семейство экстремальных материалов, известных как ауксетики , может иметь коэффициент Пуассона ниже нуля. Их примеры можно найти в природе или изготовить [12] [13] и часто представляют собой микроструктуру малого объема, которая придает сыпучему материалу экстремальные свойства. Простые конструкции композитов , обладающих отрицательным коэффициентом Пуассона (перевернутая гексагональная ячейка периодичности), были опубликованы в 1985 году . отрицательный коэффициент Пуассона. [16] [17] [18] [19]
Метаматериалы с отрицательными продольными и объемными переходами сжимаемости
В замкнутой термодинамической системе, находящейся в равновесии, как продольная, так и объемная сжимаемость обязательно неотрицательны из-за ограничений устойчивости. По этой причине при растяжении обычные материалы расширяются в направлении приложенной силы. Однако было показано, что метаматериалы могут быть спроектированы так, чтобы демонстрировать переходы с отрицательной сжимаемостью, во время которых материал подвергается сжатию при растяжении (или расширению при давлении). [20] При воздействии изотропных напряжений эти метаматериалы также демонстрируют отрицательные переходы объемной сжимаемости. [21]
В этом классе метаматериалов отрицательный отклик происходит вдоль направления приложенной силы, что отличает эти материалы от тех, которые демонстрируют отрицательный поперечный отклик (например, при исследовании отрицательного коэффициента Пуассона).
Пентамодные метаматериалы или метажидкости
СЭМ-изображение пентамодного метаматериала (размером около 300 мкм)
Пентамодовый метаматериал — это искусственная трехмерная структура, которая, несмотря на то, что является твердой, в идеале ведет себя как жидкость. Таким образом, он имеет конечный объем , но исчезает модуль сдвига , или, другими словами, его трудно сжимать, но легко деформировать. Говоря более математическим языком, пятимодовые метаматериалы имеют тензор упругости только с одним ненулевым собственным значением и пятью (пента) исчезающими собственными значениями.
Пентамодовые структуры были теоретически предложены Грэмом Милтоном и Андреем Черкаевым в 1995 году [22] , но не были изготовлены до начала 2012 года. [23] Согласно теории, пентамодовые метаматериалы могут использоваться в качестве строительных блоков для материалов с совершенно произвольными упругими свойствами. [22] Анизотропные версии пентамодовых структур являются кандидатами на трансформационную эластодинамику и эластодинамическую маскировку.
Коссера и микрополярные метаматериалы.
Очень часто упругости Коши достаточно для описания эффективного поведения механических метаматериалов. Было показано, что когда элементарные ячейки типичных метаматериалов не центросимметричны, требуется эффективное описание с использованием хиральной микрополярной упругости (или Коссера [ 24] ). [25] Микрополярная эластичность сочетает в себе сочетание поступательных и вращательных степеней свободы в статическом случае и демонстрирует поведение, эквивалентное оптической активности .
Материалы Уиллиса
В 2006 году Милтон, Брайан и Уиллис [26] показали, что правильной инвариантной формой линейной эластодинамики является локальная система уравнений, первоначально предложенная Уиллисом в конце 1970-х и начале 1980-х годов для описания эластодинамики неоднородных материалов. [27] Сюда входит явно необычная (в упругих материалах) связь между напряжением, деформацией и скоростью, а также между импульсом, деформацией и скоростью. Инвариантность уравнений Навье может возникнуть в рамках теории превращений, но для этого потребуются материалы с несимметричным напряжением, [28] [29] , отсюда и отмеченный выше интерес к материалам Коссера. Изготовлен и успешно испытан эластостатический плащ из полярного материала с распределением крутящего момента тела, нарушающим симметрию напряжений. [30]
Дальнейшее обоснование теории было дано в статье Норриса и Шувалова. [31]
На основе этих работ была разработана математическая теория почти маскировки для линейной упругости. [32]
Метатрибоматериалы
Метатрибоматериалы [33] [34] , предложенные в 2021 году, представляют собой новый класс многофункциональных механических метаматериалов с собственными функциями измерения и сбора энергии. Эти материальные системы состоят из тонко подобранных и топологически различных трибоэлектрических микроструктур. Метатрибоматериалы, также известные как самосознательные композитные механические метаматериалы, могут служить наногенераторами и чувствительными средами для непосредственного сбора информации о рабочей среде. Они естественным образом наследуют улучшенные механические свойства, предлагаемые классическими механическими метаматериалами. При механическом возбуждении метатрибоматериалы генерируют электрические сигналы, которые можно использовать для активного зондирования и расширения возможностей датчиков и встроенной электроники. [33]
Электронно-механические метаматериалы
Электронно-механические метаматериалы [35] представляют собой активные механические метаматериалы с возможностями цифровых вычислений и хранения информации. Они заложили основу для новой научной области метамеханотроники (механической электроники метаматериалов), предложенной в 2023 году. [35] Эти материальные системы представляют собой усовершенствованный тип метатрибоматериалов, созданный путем интеграции механических метаматериалов, цифровой электроники и сбора наноэнергии ( например, трибоэлектрические, пьезоэлектрические, пироэлектрические) технологии. Они могут чувствовать внешние стимулы, свою собственную силу и обрабатывать информацию для создания интегрированной системы управления с замкнутым контуром. Электронно-механические метаматериалы могут быть спроектированы как цифровые логические элементы, т.е. И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, или механически реагирующие устройства хранения данных. Таким образом, они потенциально могут привести к разработке будущих механических компьютеров из метаматериалов (MMC), дополняющих традиционную электронику электроникой, изготовленной из механических метаматериалов. [35] Такие вычислительные системы из метаматериалов могут быть особенно полезны при экстремальных нагрузках и суровых условиях окружающей среды (например, при высоком давлении, высокой/низкой температуре и радиационном воздействии), где традиционная полупроводниковая электроника не может поддерживать свои спроектированные логические функции.
Гиперэластичная маскировка и инвариантность
Другой механизм достижения несимметричного напряжения заключается в использовании предварительно напряженных гиперупругих материалов и теории «малого в большом», то есть распространения упругих волн через предварительно напряженные нелинейные среды. Две статьи, написанные в Трудах Королевского общества А в 2012 году, установили этот принцип так называемой гиперупругой маскировки и инвариантности [36] [37] и с тех пор использовались множеством способов в сочетании с маскировкой упругих волн и фононными средами.
Рекомендации
^ Сурджади, Джеймс Утама; и другие. (4 января 2019 г.). «Механические метаматериалы и их инженерное применение». Передовые инженерные материалы . 21 (3): 1800864. doi : 10.1002/adem.201800864 .
^ Ли, Сэм Хён; Пак, Чун Ман; Со, Ён Мун; Ван, Чжи Го; Ким, Чул Ку (29 апреля 2009 г.). «Акустический метаматериал с отрицательным модулем». Физический журнал: конденсированное вещество . 21 (17): 175704. arXiv : 0812.2952 . Бибкод : 2009JPCM...21q5704L. дои : 10.1088/0953-8984/21/17/175704. PMID 21825432. S2CID 26358086.
^ Ли, Сэм Хён; Пак, Чун Ман; Со, Ён Мун; Ван, Чжи Го; Ким, Чул Ку (1 декабря 2009 г.). «Акустический метаматериал отрицательной плотности». Буквы по физике А. 373 (48): 4464–4469. Бибкод : 2009PhLA..373.4464L. doi :10.1016/j.physleta.2009.10.013.
^ Ян, З.; Мэй, Джун; Ян, Мин; Чан, Н.; Шэн, Пин (1 ноября 2008 г.). «Акустический метаматериал мембранного типа с отрицательной динамической массой» (PDF) . Письма о физических отзывах . 101 (20): 204301. Бибкод : 2008PhRvL.101t4301Y. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.204301. PMID 19113343. S2CID 714391.
^ Дин, Ицюнь; Лю, Чжэнъю; Цю, Чуньинь; Ши, Цзин (август 2007 г.). «Метаматериал с одновременно отрицательными объемным модулем и массовой плотностью». Письма о физических отзывах . 99 (9): 093904. Бибкод : 2007PhRvL..99i3904D. doi : 10.1103/PhysRevLett.99.093904. ПМИД 17931008.
^ Ли, Сэм Хён; Пак, Чун Ман; Со, Ён Мун; Ван, Чжи Го; Ким, Чул Ку (1 февраля 2010 г.). «Композитная акустическая среда с одновременно отрицательной плотностью и модулем упругости». Письма о физических отзывах . 104 (5): 054301. arXiv : 0901.2772 . Бибкод : 2010PhRvL.104e4301L. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.054301. PMID 20366767. S2CID 119249065.
^ Чжу, Дж.; Кристенсен, Дж.; Юнг, Дж.; Мартин-Морено, Л.; Инь, Х.; Фок, Л.; Чжан, X.; Гарсиа-Видаль, Ф.Дж. (2011). «Метаматериал с дырочной структурой для акустической визуализации в глубоком субволновом диапазоне». Физика природы . 7 (1): 52–55. Бибкод : 2011NatPh...7...52Z. дои : 10.1038/nphys1804 . hdl : 10261/52201.
^ Кристенсен, Йохан; де Абахо, Ф. (2012). «Анизотропные метаматериалы для полного контроля акустических волн». Письма о физических отзывах . 108 (12): 124301. Бибкод : 2012PhRvL.108l4301C. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.124301. hdl : 10261/92293 . PMID 22540586. S2CID 36710766.
^ Фархат, М.; Енох, С.; Генно, С.; Мовчан, А. (2008). «Широкополосная цилиндрическая акустическая маска для линейных поверхностных волн в жидкости». Письма о физических отзывах . 101 (13): 134501. Бибкод : 2008PhRvL.101m4501F. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.134501. ПМИД 18851453.
^ Каммер, Стивен А; Шуриг, Дэвид (2007). «Один путь к акустической маскировке». Новый журнал физики . 9 (3): 45. Бибкод : 2007NJPh....9...45C. дои : 10.1088/1367-2630/9/3/045 .
^ Сюй, Б.; Ариас, Ф.; Бриттен, Южная Каролина; Чжао, Х.-М.; Гжибовский, Б.; Торквато, С.; Уайтсайдс, генеральный менеджер (1999). «Создание микроструктур с отрицательным коэффициентом Пуассона методом мягкой литографии». Передовые материалы . 11 (14): 1186–1189. doi :10.1002/(SICI)1521-4095(199910)11:14<1186::AID-ADMA1186>3.0.CO;2-K.
^ Бюкманн, Тьемо; Стенджер, Николас; Кадич, Муамер; Кашке, Йоханнес; Фрелих, Андреас; Кеннеркнехт, Тобиас; Эберл, Кристоф; Тиль, Майкл; Вегенер, Мартин (22 мая 2012 г.). «Специализированные трехмерные механические метаматериалы, изготовленные с помощью оптической литографии с прямой лазерной записью». Передовые материалы . 24 (20): 27:10–27:14. Бибкод : 2012AdM....24.2710B. дои : 10.1002/adma.201200584. PMID 22495906. S2CID 205244958.
^ Колпаковс, А.Г. (1985). «Определение средних характеристик упругих каркасов». Журнал прикладной математики и механики . 49 (6): 739–745. Бибкод : 1985JApMM..49..739K. дои : 10.1016/0021-8928(85)90011-5.
^ Альмгрен, РФ (1985). «Изотропная трехмерная структура с коэффициентом Пуассона = -1». Журнал эластичности . 15 (4): 427–430. дои : 10.1007/bf00042531. S2CID 123298026.
^ Шенк, Марк (2011). Складчатые оболочечные конструкции, кандидатская диссертация (PDF) . Кембриджский университет, Клэр-колледж.
^ Вэй, З.Ы.; Го, З.В.; Дудте, Л.; Лян, Хай; Махадеван, Л. (21 мая 2013 г.). «Геометрическая механика периодического плиссированного оригами». Письма о физических отзывах . 110 (21): 215501. arXiv : 1211.6396 . Бибкод : 2013PhRvL.110u5501W. doi : 10.1103/PhysRevLett.110.215501. PMID 23745895. S2CID 9145953.
^ Эйдини, Марьям; Паулино, Главио Х. (2015). «Раскрытие свойств метаматериала в сложенных зигзагообразных листах». Достижения науки . 1 (8): e1500224. arXiv : 1502.05977 . Бибкод : 2015SciA....1E0224E. doi : 10.1126/sciadv.1500224. ISSN 2375-2548. ПМЦ 4643767 . ПМИД 26601253.
^ Эйдини, Марьям (2016). «Зигзагообразные листовые ячеистые механические метаматериалы со складками». Письма по экстремальной механике . 6 : 96–102. arXiv : 1509.08104 . doi :10.1016/j.eml.2015.12.006. S2CID 118424595.
^ Николау, Закари Г.; Моттер, Адилсон Э. (2013). «Продольная инвертированная сжимаемость в сверхдеформированных метаматериалах». Журнал статистической физики . 151 (6): 1162–1174. arXiv : 1304.0787 . Бибкод : 2013JSP...151.1162N. дои : 10.1007/s10955-013-0742-8. S2CID 32700289.
^ аб Милтон, Грэм В.; Черкаев, Андрей В. (1 января 1995 г.). «Какие тензоры упругости реализуемы?». Журнал инженерных материалов и технологий . 117 (4): 483. дои : 10.1115/1.2804743.
^ Кадич, Муамер; Бюкманн, Тьемо; Стенджер, Николас; Тиль, Майкл; Вегенер, Мартин (1 января 2012 г.). «О возможности создания пятимодовых механических метаматериалов». Письма по прикладной физике . 100 (19): 191901. arXiv : 1203.1481 . Бибкод : 2012ApPhL.100s1901K. дои : 10.1063/1.4709436. S2CID 54982039.
^ Рюгер, З.; Лейкс, РС (8 февраля 2018 г.). «Сильная эластичность по Коссера в решетке трансверсально-изотропного полимера». Письма о физических отзывах . 120 (6): 065501. Бибкод : 2018PhRvL.120f5501R. doi : 10.1103/PhysRevLett.120.065501 . ПМИД 29481282.
^ Френцель, Тобиас; Кадич, Муамер; Вегенер, Мартин (23 ноября 2017 г.). «Трехмерные механические метаматериалы с изюминкой». Наука . 358 (6366): 1072–1074. Бибкод : 2017Sci...358.1072F. дои : 10.1126/science.aao4640 . ПМИД 29170236.
^ Грэм В. Милтон; Марк Бриан; Джон Р. Уиллис (24 октября 2006 г.). «О маскировке упругости и физических уравнений с инвариантной формой преобразования». Новый журнал физики . 8 (10): 248. Бибкод : 2006NJPh....8..248M. дои : 10.1088/1367-2630/8/10/248 . ISSN 1367-2630.
^ Уиллис, младший (1 января 1981). «Вариационные принципы решения динамических задач для неоднородных упругих сред». Волновое движение . 3 (1): 1–11. Бибкод : 1981WaMot...3....1W. дои : 10.1016/0165-2125(81)90008-1. ISSN 0165-2125.
^ Брун Мишель; Генно Себастьян; Мовчан Александр Борисович (2 сентября 2009 г.). «Достижение контроля над плоскими упругими волнами». Письма по прикладной физике . 94 (6): 061903. arXiv : 0812.0912 . Бибкод : 2009ApPhL..94f1903B. дои : 10.1063/1.3068491. S2CID 17568906.
^ Диатта Андре; Генно Себастьен (14 июля 2014 г.). «Управление твердыми упругими волнами с помощью сферических плащей». Письма по прикладной физике . 105 (2): 021901. arXiv : 1403.1847 . Бибкод : 2014ApPhL.105b1901D. дои : 10.1063/1.4887454 . S2CID 55717144.
^ Сяньчэнь Сюй; Чэнь Ван; Ван Шоу; Цзунлян Ду; Янъян Чен; Бэйчен Ли; Войцех Матусик; Нассар Хусейн; Гуолян Хуан (19 марта 2020 г.). «Физическая реализация эластичной маскировки из полярного материала». Письма о физических отзывах . 124 (2): 114301. Бибкод : 2020PhRvL.124k4301X. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.114301 . PMID 32242717. S2CID 214735196.
^ Норрис, AN; Шувалов А.Л. (01.09.2011). «Теория эластичной маскировки». Волновое движение . Специальный выпуск о маскировке волнового движения. 48 (6): 525–538. arXiv : 1103.6045 . Бибкод : 2011WaMot..48..525N. doi :10.1016/j.wavemoti.2011.03.002. ISSN 0165-2125.
^ Аб Барри, Каве; Цзяо, Пэнчэн; Чжан, Цяньюнь; Чен, Цзюнь; Ван, Чжун Линь; Алави, Амир Х. (01 августа 2021 г.). «Многофункциональные наногенераторы из метатрибоматериалов для сбора энергии и активного зондирования». Нано Энергия . 86 : 106074. doi : 10.1016/j.nanoen.2021.106074. ISSN 2211-2855. ПМЦ 8423374 . ПМИД 34504740.
^ Алави А.Х., Барри К., «Самосознательные композитные механические метаматериалы и способ их изготовления», патент США. № US2022/0011176A1, 2022 г.
^ abc Чжан, Цяньюнь; Барри, Каве; Цзяо, Пэнчэн; Лу, Вэньюнь; Ло, Цзяньчжэ; Мэн, Вэньсюань; Ван, Цзяцзюнь; Хун, Лукинь; Мюллер, Йохен; Линь Ван, Чжун; Алави, Амир Х. (1 мая 2023 г.). «Метамеханотроника для автономных вычислений». Материалы сегодня . 65 : 78–89. дои : 10.1016/j.mattod.2023.03.026. ISSN 1369-7021.
^ Парнелл, Уильям Дж. (8 февраля 2012 г.). «Нелинейное предварительное напряжение для маскировки от антиплоских упругих волн». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 468 (2138): 563–580. arXiv : 1203.3246 . Бибкод : 2012RSPSA.468..563P. дои : 10.1098/rspa.2011.0477. S2CID 51681026.
^ Норрис, AN; Парнелл, WJ (08 октября 2012 г.). «Теория гиперупругой маскировки: эластичность трансформации с предварительно напряженными твердыми телами». Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 468 (2146): 2881–2903. arXiv : 1204.4655 . Бибкод : 2012RSPSA.468.2881N. дои : 10.1098/rspa.2012.0123. S2CID 53619286.
