Контринтуитивный метаматериал может привести к созданию теплоустойчивых электронных схем

Практически все твёрдые материалы, от резины и стекла до гранита и стали, расширяются при нагревании. Лишь в очень редких случаях определённые материалы идут против системы и сжимаются при нагреве. К примеру, холодная вода сжимается, если её нагревать от 0 до 4 градусов Цельсия, до того, как начать расширяться.

Инженеры MIT и Южно-калифорнийского университета внесли новое добавление в этот класс странных материалов. Команда под руководством Николаса Фанга [Nicholas X. Fang], адъюнкт-профессора инженерной механики из MIT создала звездообразные структуры, состоящие из соединённых перекладин, или ферм. Эти структуры размером с кубик сахара быстро сжимаются, будучи нагретыми до 282 градусов Цельсия.

Фермы состоят из обычных материалов, расширяющихся при нагреве. Фанг с коллегами догадались, что если соединить их особым образом, они смогут тянуть структуру внутрь, заставляя её сжиматься наподобие игрушки «сфера Гобермана».

Исследователи считают, что их творение относится к «метаматериалам» – композитным материалам, конфигурация которых имеет странные и часто контринтуитивные свойства, обычно в природе не встречающиеся.

В некоторых случаях может оказаться полезным не само сжатие этих структур, а их сопротивление расширению при нагревании. Такие материалы можно использовать, например, при изготовлении компьютерных чипов, деформирующихся при длительном нагреве.

«Печатные платы могут греться при работе CPU, и нагрев может влиять на их производительность,- говорит Фанг. – Поэтому [при проектировании] необходимо очень тщательно учитывать это их свойство».

Ингредиенты для печати

В середине 90-х учёные предлагали теоретически возможные структуры, чья структура может дать им свойство «отрицательного температурного расширения» (negative thermal expansion, NTE). Для этого нужно было создать трёхмерные решётчатые структуры из двух материалов с разными коэффициентами расширения при нагревании. При нагреве всей структуры один материал должен расширяться быстрее и затягивать другой внутрь, в результате чего общий размер структуры уменьшится.

«В теоретических работах говорилось о том, как такие структуры могут нарушить обычные ограничения температурного расширения,- говорит Фанг. – Но в то время [учёные] были ограничены технологиями создания вещей. И здесь мы увидели прекрасную возможность для микропроизводства, демонстрирующую эту концепцию».

В лаборатории Фанга разработали технологию 3D-печати под названием микростереолитография, в которой используется свет для послойной печати очень маленьких структур в жидкой смоле.

«Теперь мы можем использовать систему микростереолитографии для создания термомеханических метаматериалов, которые сделают возможным невозможное ранее,- говорит Спадаччини, директор Центра разработки и производства материалов. – У них есть термомеханические свойства, недостижимые для обычных материалов».

«Мы можем изготовить струйный принтер для печати и отверждения разных ингредиентов по той же самой схеме»,- говорит Фанг.

Вдохновившись теоретической платформой, Фанг с коллегами напечатали небольшие трёхмерные звездообразные структуры из соединённых между собой перекладин. Каждая из них изготовлена либо из твёрдого и медленно расширяющегося материала, содержащего медь, либо из эластичного быстро расширяющегося полимера. Внутренние перекладины эластичные, а внешние – твёрдые.

«Правильно расположив компоненты решётки, мы добьемся того, что даже при расширении каждой перекладины они стягивают всю решётку внутрь»,- говорит Фанг.

«Мы работаем с температурным смещением,- говорит Ванг. – У этих материалов разный коэффициент температурного расширения, поэтому при увеличении температуры они взаимодействуют друг с другом и тянут внутрь, так что общий объём структуры уменьшается».

Пространство для экспериментов

Исследователи тестировали свои композитные структуры, располагая их в стеклянной колбе и медленно повышая её температуру, от комнатной до 282 градусов. Было обнаружено, что сначала структура сохраняет форму, а затем постепенно сгибается внутрь и сжимается.

«Сжимается она на 0,6%»,- говорит Фанг. Это кажется не таким уж большим достижением, но Фанг добавляет, что «сам факт сжатия впечатляет». Для большинства практических применений, по мнению Фанга, дизайнеры предпочли бы структуры, которые просто не расширяются при нагреве.

В добавление к их экспериментам исследователи создали и компьютерную модель для подсчёта взаимодействия соединённых перекладин, расстояния между ними и степени расширения. Сжатие структуры контролируется двумя главными параметрами – размерами отдельных перекладин и их относительной жёсткостью, напрямую связанной со скоростью температурного расширения.

«Мы разработали метод подстройки, располагая в компьютерной модели отдельные компоненты с разной жёсткостью и скоростью расширения, и мы можем заставить конкретную перекладину или часть структуры отклониться или расшириться так, как нам нужно,- говорит Фанг. – Есть пространство для экспериментов с другими материалами, например, с углеродными нанотрубками, более лёгкими и прочными. Можно добиться интересных результатов, экспериментируя в лаборатории с разными структурами».