Создан материал с запрещенными механическими свойствами

Физики создали искусственный материал, который скручивается в ответ на прилагаемое постоянное усилие вдоль одной прямой. Это вещество — механический метаматериал, то есть его свойства определяются в первую очередь структурой, а не свойствами составных частей. Работа с описанием опубликована в журнале Science.

В стандартной механике сплошных сред кручение не может появляться в результате приложения действующей вдоль линии силы. Сжатие упругого тела в обычной ситуации всегда должно вызывать расширение в перпендикулярных оси сжатия направлениях. Однако исследователям из немецкого Технологического института Карлсруэ и французского Университета Франш-Конте удалось создать нарушающий это правило кристалл.

Созданный метаматериал скручивается на более чем 2° за каждый процент укорочения. Этого удалось достичь благодаря точной микроскопической сборке составляющих его частей. В начале физики численно смоделировали материал, чтобы узнать необходимую форму кубической ячейки материала. Затем выявленная структура была получена из полимера методом лазерной 3D-печати. Когда к ячейке прикладывается усилие, кольцевые структуры на каждой грани вращаются, утягивая за собой углы куба.

Также выяснилось, что если размер ячейки уменьшается, а размер всего тела остается неизменным, то это приводит к увеличению жесткости и уменьшению эффекта скручивания. Это также противоречит стандартным правилам классической механики сплошных сред, где деформация кручения в таком случае запрещена, а жесткость — это масштабно-инвариантная характеристика.

Материалы с произвольными упругими свойствами могут позволить создать механические аналоги оптических метаматериалов. Одним из предложенных авторами применений могут быть структуры, позволяющие направлять механические волны, например от землетрясений, вокруг определенных областей.