Метаматеріали – це штучні матеріали, тобто створені у лабораторії, у тому числі й надруковані на 3D-принтері. Вони можуть складатися як з одного, так і з кількох звичайних матеріалів. Їхня головна відмінність від звичайних — запланована творцями наявність властивостей, які не зустрічаються в останніх.
За останні 20 років інженери створили велику кількість різноманітних метаматеріалів з металевими включеннями у вигляді ґрат — з титанових, алюмінієвих сплавів, сплавів на основі нікелю, нержавіючої сталі. І хоча вони виявилися кращими за більшість конструкційних матеріалів, лише деякі з них були ефективнішими за ті ж сплави магнію, які сьогодні широко використовуються в авіаційній та ракетній техніці через малу щільність, високу питому міцність, віброізоляційні властивості.
Тому вчені вже давно намагаються створити «сировину», яка б змогла працювати в складних умовах: бути надміцним, витримувати екстремальні температури та тиску.
Австралійські дослідники з Мельбурнського королівського технологічного університету створили новий метаматеріал з титанового сплаву Ti-6Al-4V (у сплаві сам титан, шість відсотків алюмінію та чотири відсотки ванадія), який виявився на 50 відсотків міцнішим за найміцніший комерційний магнієвий сплав WE54 аналогічний 85 г на кубічний сантиметр). Ti-6Al-4V — один з титанових сплавів, який застосовується там, де необхідна мала щільність і висока корозійна стійкість, — в аерокосмічній галузі. Результати роботи опубліковані в журналі Advanced Materials.
Джерелом натхнення для вчених стала природа. Вони вивчили рослини з міцними стеблами, які мають порожнисту трубчасту структуру, що поєднує в собі міцність і легкість, такі як латаття (Victoria boliviana), а також корали (Tubipora musica). Потім дослідники постаралися відтворити цю структуру практично. Для цього вони використали 3D-друк.
«Багато вчених десятиліттями намагалися відтворити в металі ці природні порожнисті “комірчасті структури”, але постійно зазнавали невдачі. Одна з головних причин, чому це не виходило, – напруга, що виникає, в точках з’єднання внутрішніх ділянок порожніх стійок, що призводило до руйнування конструкцій. В ідеалі напруга має рівномірно розподілятися по всьому матеріалу», – пояснив Ма Цянь (Ma Qian), керівник дослідження.
Зліва показана модель з однією решіткою, червоними точками позначені ділянки, де навантаження занадто сильне. Праворуч зображено модель з двома ґратами.
У такому разі навантаження по конструкції розподіляється рівномірно
Щоб зменшити високий рівень напруги, що виникає в точках з’єднання «лабораторних» трубчастих ґрат, Цянь та його колеги підсилили її — наклали зверху другу решітку, додавши тонкий хрестоподібний розріз, що проходить через труби та з’єднання. Це дозволило поступово розподілити навантаження при стисканні.
Для виготовлення такої конструкції фахівці використовували метод 3D-друку, званий лазерне плавлення металу в сформованому шарі (Laser Beam Powder Bed Fusion). Це одна з найбільш обкатаних технологій друкування металевих виробів, в якій застосовується потужний лазерний промінь для плавлення металопорошкових композицій.
Вчені випробували свій метаматеріал у лабораторії за різних складних умов. З’ясувалося, що надрукована конструкція — титановий куб — на 50 відсотків міцніша за магнієво-літієвий сплав WE54, який вважається найміцнішим комерційним сплавом, який використовується в авіаційній та космічній промисловості.
Зразки метаматеріалу легко змінюються в розмірах від кількох міліметрів до кількох метрів залежно від доступних принтерів і витримують (при такому складі) нагрівання до 350 градусів за Цельсієм або до 600 градусів, якщо використовувати жароміцніші титанові сплави.
За словами авторів дослідження, у найближчому майбутньому їх матеріал буде придатний для виготовлення частин авіаційної та ракетної техніки, безпілотних пожежних систем, а також для створення кісткових імплантатів у медицині, де складна, частково порожня форма може згодом заповнюватися клітинами відрослої кісткової тканини.
