Противоречивый метаматериал может привести к созданию термостойких электронных схем
Почти все твердые материалы, от резины и стекла до гранита и стали, расширяются при нагревании.
Лишь в очень редких случаях некоторые материалы противодействуют системе и сжимаются при нагревании.
Например, холодная вода сжимается, если ее нагреть от 0 до 4 градусов Цельсия, прежде чем она начнет расширяться.
Инженеры Массачусетского технологического института и Университета Южной Калифорнии внесли новое дополнение в этот класс странных материалов.
Команда под руководством Николаса Фанга, доцента кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, создала звездообразные конструкции из соединенных балок или ферм.
Эти структуры размером с кубик сахара быстро сжимаются при нагревании до 282 градусов по Цельсию.
Фермы изготавливаются из обычных материалов, которые расширяются при нагревании.
Фанг и его коллеги выяснили, что если бы они были соединены особым образом, они могли бы втянуть конструкцию внутрь, заставив ее сжаться, как игрушечная сфера Хобермана.
Исследователи полагают, что их творение представляет собой своего рода «метаматериал» — композитные материалы, конфигурации которых обладают странными и часто противоречивыми свойствами, обычно не встречающимися в природе.
В некоторых случаях полезным может оказаться не сжатие самих этих структур, а их устойчивость к расширению при нагревании.
Такие материалы можно использовать, например, при производстве компьютерных чипов, деформирующихся при длительном нагреве.
«Печатные платы могут нагреваться во время работы процессора, и это может повлиять на их производительность», — говорит Фанг.
«Поэтому [при проектировании] необходимо очень внимательно учитывать это свойство».
Ингредиенты для печати В середине 90-х годов учёные предложили теоретически возможные конструкции, структура которых могла бы придать им свойство «отрицательного теплового расширения» (negative Thermal Extension, NTE).
Для этого необходимо было создать трехмерные решетчатые структуры из двух материалов с разными коэффициентами расширения при нагревании.
По мере нагревания всей конструкции один материал должен расширяться быстрее и втягивать другой внутрь, в результате чего общий размер конструкции уменьшается.
«Теоретические работы говорят о том, как такие конструкции могут нарушить обычные пределы теплового расширения», — говорит Фанг.
«Но в то время [ученые] были ограничены технологиями создания вещей.
И здесь мы увидели прекрасную возможность для микропроизводства, демонстрирующего эту концепцию».
Лаборатория Фанга разработала технологию 3D-печати, называемую микростереолитографией, которая использует свет для печати очень маленьких структур слой за слоем в жидкой смоле.
«Теперь мы можем использовать систему микростереолитографии для создания термомеханических метаматериалов, которые сделают невозможное возможным», — говорит Спадаччини, директор Центра разработки и производства материалов.
«Они обладают термомеханическими свойствами, недостижимыми с помощью обычных материалов».
«Мы можем сделать струйный принтер для печати и отверждения различных ингредиентов, используя один и тот же процесс», — говорит Фанг.
Вдохновленные теоретической платформой, Фанг и его коллеги напечатали небольшие трехмерные звездообразные конструкции из соединенных между собой перекладин.
Каждый из них изготовлен либо из твердого, медленно расширяющегося медьсодержащего материала, либо из эластичного, быстро расширяющегося полимера.
Внутренние стержни эластичные, а внешние жесткие.
«Правильно расположив компоненты решетки, мы можем гарантировать, что даже при расширении каждой перекладины они будут тянуть всю решетку внутрь», — говорит Фанг.
«Мы работаем с температурными изменениями», — говорит Ван.
«Эти материалы имеют разные коэффициенты теплового расширения, поэтому при повышении температуры они взаимодействуют друг с другом и втягиваются внутрь, в результате чего общий объем конструкции уменьшается».
Пространство для экспериментов Исследователи протестировали свои композитные структуры, поместив их в стеклянную колбу и медленно повышая ее температуру с комнатной до 282 градусов.
Было обнаружено, что структура сначала сохраняет свою форму, а затем постепенно прогибается внутрь и сжимается.
«Он сокращается на 0,6%», — говорит Фунг.
Это не кажется большим достижением, но Фунг добавляет, что «тот факт, что он сжат, впечатляет».
По словам Фанга, для большинства практических применений дизайнеры отдают предпочтение конструкциям, которые просто не расширяются при нагревании.
В дополнение к своим экспериментам исследователи также создали компьютерную модель для расчета взаимодействия соединенных поперечин, расстояния между ними и степени расширения.
Сжатие конструкции контролируется двумя основными параметрами – размером отдельных поперечин и их относительной жесткостью, которая напрямую связана со скоростью термического расширения.
«Мы разработали метод настройки, помещая отдельные компоненты в компьютерную модель с различной жесткостью и степенью расширения, и мы можем заставить определенную перекладину или часть конструкции отклоняться или расширяться так, как мы хотим», — говорит Фанг.
«Есть простор для экспериментов с другими материалами, например, с углеродными нанотрубками, которые легче и прочнее.
Вы можете добиться интересных результатов, экспериментируя с различными структурами в лаборатории».
Теги: #Популярная наука #3D-принтеры #физика #расширение #сжатие #нагрев #метаматериалы
-
Особенности Удаленного Груминга
19 Oct, 24 -
Опасно Ли Хранить Rdp Открытым В Интернете?
19 Oct, 24 -
Пиджин 2.6.4
19 Oct, 24 -
Adobe Строб
19 Oct, 24 -
Идти! Идти! Идти…
19 Oct, 24
