這新的超材料是第一個達到堅硬度的理論極限!

Comment is Closed

已知宇宙中最有效的泡沫材料。

82736497236-isomax_1024

科學家已經證明,新的3D超材料(metamaterial)設計是這類結構的第一個達到堅硬度的理論極限。

被稱為Isomax,這個材料是根據一個幾何形狀單元格的重複組成所形成硬泡沫材料。像這樣的結構,是所謂的異質材料(heterogeneous material)的一個例子,由不同的組分所組成。儘管Isomax大部分是空氣和空白空間(empty space),它實際上是所設計過的最堅固合成物。

Foam_Both_art

來自加州大學聖塔芭芭拉分校的材料科學家Jonathan Berger解釋:「Isomax的幾何形狀在所有的方向都是最堅固的。」

Berger最初在2015年構想出Isomax的設計,當時他正在尋找一種材料具有最高可能性的堅硬度對亮度比。

Foam structure_Art

這個想法是找到一個重複的多孔3D結構,例如蜂巢,但是在總質量方面提供極低的密度,並且有最大可能的韌性和抗壓扁性。

推薦文章:  得獎動畫短片告訴你:社會如何毀了你的創意

現在,在一份新論文中,Berger和他的團隊以新的計算來支持他們最初的電腦模型,顯示在被Hashin-Shtrikman界限(Hashin-Shtrikman bounds)定理公式化時,Isomax的幾何結構達到了彈性堅硬度極限。

Jonathan Berger Isomax

Berger說:「很顯然在2015年有很多的正面反饋。但對我來說,作為一個科學家,這有點過於不嚴格,除非提交到同行評議期刊。」

Isomax還沒有被製造,但造成這個材料在理論上這麼堅硬是它的兩種基本形狀的組合,三角形和十字形。使用這兩種圖案,Isomax的重複單元格是由許多被內隔牆強化的金字塔所組成。

根據研究人員,這些相交的內隔牆在抵抗垂直壓碎力是完美的,然而金字塔形狀提供了穩定性和抵抗來自相反方向的剪 (非一直線的)力。

82736497236-isomax-3
UCSB Engineering

因為單元格的設計意味著Isomax大部分是空白空間,儘管極為彈性,這個泡沫材料最終是令人難以置信的輕,導致Berger把它形容為「宇宙最有效的[泡沫材料]」。

他在2015年解釋:「因為它有一定的對稱性和一直線,因此達到堅硬度的理論界限。沒有其他材料像這樣。」

推薦文章:  使用超級電腦來了解暗物質,物理學的不解之謎

這個團隊的下一步是研究這種超材料在現實世界中的潛力。

一項實驗分析將讓他們在實驗室裡測試Isomax的物理彈性,而且他們也在研究生產過程,使得這個結構物能夠被有效地製造。

nature21075-f1

一旦生產,這個團隊展望Isomax被用於一切事物,從新類型的包裝材料到重量輕的義肢。

來自維吉尼亞大學(University of Virginia)的一名成員Haydn N. G. Wadley說:「它還會是一個很好的隔熱和吸音材料。」

「這種超輕材料的潛在應用可能出現在太空結構體、輕型汽車和許多機器人機器;特別是移動式類型,具有自己的動力和必須要能機動操作。」

這項研究成果在自然期刊(Nature)上報導。

UCSB Researcher Jonathan Berger on The Most Efficient Material in The World from UC Santa Barbara on Vimeo.

推薦文章:  世界上最快的相機可拍下光移動的影像

來源:ScienceAlert