Новые материалы и их пять невероятных свойств

Современная наука в части материаловедения достигла невероятных высот. Но, к сожалению, информации об этих работах не так уж и много. Тем не менее, мы периодически получаем новые материалы, которые будоражат ум и кажутся фантастическими. Одни не тонут, другие не горят. Я решил собрать свойства новых материалов и снять про наиболее удивительные из них образовательное видео, а заодно поделиться с Фишками.

Все стандартные материалы ведут себя при приложении нагрузки примерно одинаково. Они деформируются, пока не наступит разрушение. Больше нагрузка - больше деформация. Однако, новая группа материалов, используемая для активной защиты (например, ди-три-о) способны просто поразить вас.
Рассмотрим Ди-три-о. Материал легко деформируется и сохраняет пластичность до тех пор, пока скорость приложения нагрузки и её сила не возрастают.
В случае быстрого приложения нагрузки материал резко затвердевает, а энергия от удара рассеивается внутри материала и не повреждает защищаемый объект. Например, если ударить по пальцу с такой защитой молотком, то энергия удара моментально рассеется и израсходуется на затвердевание защиты, а палец не пострадает.

Сам по себе материал - это полимер или, правильнее сказать, коллоидная полимерная система, в составе которой есть секретный ингредиент.
Сущность эффекта основана на специфике поведения дилатантной неньютоновской жидкости. Это материалы, у которых вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Почему неньютоновская? Потому что всё должно быть наоборот.

Дилатантный эффект наблюдается в материалах, у которых плотно расположенные частички перемешаны с жидкостью, заполняющей пространство между ними. При низких скоростях сдвига слоёв материала друг относительно друга жидкость действует как смазка и материал мягкий. При высоких скоростях жидкость не успевает заполнить свободное пространство между частицами, и поэтому трение между частицами сильно возрастает, а структуру расклинивает.

Ди-Три-О - это не единственный пример использования, есть и другие виды активной защиты. Сам ди-три-о прменяется для изготовления мотозащиты и других видов спортивной защиты.

Метаматериалы - это очень интересный и новый подход к построению композита. Если традиционно принято считать, что свойства материала определяют структура и химический состав, то тут основную роль играет структура. Не столь важно из чего состоит материал, а важна его структура и упорядочивание. Важно отметить, что это целая группа материалов с программируемыми свойствами.

Метаматериалы получаются искусственной модификацией внедряемых в них элементов. Изменение структуры осуществляется на наноуровне, что дает возможность менять размеры, формы и периоды решетки атома, а также иные параметры материала.

Благодаря этому возможно получить совершенно невероятные свойства. В природе такие свойства кажутся невозможными. Например, отрицательный показатель преломления. А значит защищаемый ими объект может стать практически невидимым, волны будут просто огибать метаматериал. Получился плащ-невидимка.

Тут никаких супер-свойств, в целом-то, и нет. Но зато есть красивейшая форма кристаллов, которые после образования оксидной пленки переливаются всеми цветами радуги. Висмут очень широко используется в промышленности и хозяйстве, но всегда в сплаве с другим металлом или после специальных технических процессов. Это весьма редкий и рассеянный в природе элемент. Форма кристалла обусловлена его природными особенностями.

До сих пор подобные материалы казались больше фантастикой и те, кто помнят жидкого терминатора из фильма терминатор 2, наверняка отметили для себя его нереальную возможность к самовосстановлению. Но теперь возможность к восстановлению кажется куда более реальной.

Появился целый класс материалов, способных к регенерации. Подходов к реализации этой идеи тоже много. Одна из них предполагает создание композита, внутри которого расположены поры с “залечивающим” повреждения веществом. Такой подход имеет недостаток в том, что количество капсул с веществом имеет ограниченное число применений. Они попросту кончатся.

Удобно использовать в качестве такого залечивающего агента окружающую среду. Существует материал, способный регенерировать, извлекая строительный материал из воздуха, а точнее, из углекислого газа.

Есть и более перспективные подходы. Исходя из них, материал заживляет повреждения вследствие активного взаимодействия его внутренних слоев и их притяжения. Получается эффект заживления. Т.е. материал чинит себя сам.

Аукстетики - это материалы, которые имеют отрицательный коэффициент пуансона. Это значит, что при удлинении они не утоняются, а становятся толще в направлении перпендикулярном приложенной силе, что не соответствует обычному положению дел. Кстати говоря, это тоже метаматериалы.

Это происходит из-за шарнирно-подобной структуры ауксетиков, которая деформируется при растяжении. Такое свойство может обусловливаться свойствами отдельных молекул или определяться структурными особенностями материала на макроскопическом уровне.

Считается, что первым необычные материалы описал физик Вольдемар Фойгт сто лет назад. Правда, тогда к нему никто не прислушался, а находить ауксетики начали лишь в 80-х годах прошлого века.

От материалов этого типа ожидаются хорошие механические свойства, такие как значительное поглощение механической энергии и высокое сопротивление разрушению.

Область применения практически безгранична. Например, если сделать из такого материала самую обычную заклепку, то при растяжении она будет не становиться толще, а толстеть. Значит соединение не будет расшатываться. Даже пробку для обычной бутылки можно сделать из этого материала, что сделает её почти не извлекаемой.