Пяна, направена от гори от въглеродни нанотръби, може да си спомни как е била стискана, дори след като е възстановила първоначалната си форма, показвайки форма на устойчива механична памет, която изследователите сравняват с магнитната памет, използвана в твърдите дискове.
Пробивът, описан в статия, публикувана в Physical Review X, изтъква предимствата на експерименталната пяна пред конвенционалните материали за омекотяване. Вместо постепенно да забравя предишното си състояние, да натрупва повреди или да реагира различно при различни скорости на компресия, материалът е запазил стабилна механична памет.
След това изследователите използват тази памет, за да контролират колко бързо ударните вълни преминават през пяната. Тази способност би могла в крайна сметка да доведе до по-интелигентни каски, амортизиращи подплънки и механични компютри, които обработват сигнали без електроника.
"Докладваме за конститутивна памет на точката на връщане в еластично възстановими, вертикално подредени пени от въглеродни нанотръбки, аналогична на RPM, базиран на магнитен хистерезис, използван в твърдите дискове", пишат изследователите. "За разлика от вискоеластичната памет с избледняване, VACNT показват енергонезависима памет, произтичаща от независимо от скоростта на наномащабно триене."
Пяната се състои от многостенни въглеродни нанотръби, подредени в гъсти, вертикално подредени "гори". Отделните тестови проби са били широки само около 5 мм. Вътрешната им структура обаче е създала комбинация, рядко срещана в меки материали - те са разсейвали енергия, като същевременно са се връщали в повтаряемо механично състояние.
Пяна, която помни докъде е променена
Обикновените полимерни пяни са вискоеластични, което означава, че притежават свойства, наподобяващи както флуид, така и твърдо тяло. Поведението им зависи отчасти от времето, така че задържането им под напрежение позволява вътрешните напрежения да се отпуснат. При многократно компресиране, механичната им реакция може да се отклони чрез процес, наречен избледняваща памет.
Тази нова пяна от въглеродни нанотръбки обаче се държи много по-различно.
Изследователите компресират пробите, частично ги освобождават и след това ги задържат под фиксирано напрежение. Докато конвенционалната PVC пяна постепенно се отпуска, напрежението вътре в нанотръбната пяна остава постоянно. Когато компресията се възобнови, материалът на нанотръбата се връща в точното положение, където посоката на натоварване преди това се е обърнала.
Това поведение се нарича памет на точката на връщане. То наподобява това, което се случва, когато магнитното поле, приложено към феромагнитен материал, промени посоката си: материалът запазва информация за предишни точки на обръщане и може да се върне към тях, когато полето се промени отново.
За разлика от обикновения тип пяна, която има избледняваща памет, материалът от нанотръбички на екипа от от Университета на Уисконсин-Мадисън, обаче изглежда не забравя.
Първоначално изследователите компресират всяка проба през няколко цикъла, за да закрепят вътрешната ѝ структура. След кондициониране, пяната създава възпроизводими цикли на напрежение-деформация, стига последващото компресиране да остава под този начален максимум.
Те също така тестват скорости на деформация, обхващащи три порядъка на величината, и трептения, вариращи от 1 до 1000 херца. Реакцията остава по същество непроменена.
"Независимо дали правихме много бавна или много бърза компресия, нямаше значение", разказва д-р Раматасан Тевамаран (Ramathasan Thevamaran), машинен инженер от Университета на Уисконсин-Мадисън и старши автор на изследването. "Пяната се държеше по един и същи начин."
Наномащабното триене съхранява паметта
Паметта не идва от електронни компоненти или от механични части, превключващи между две форми.
Изследователите установяват, че вместо това, паметтна се дължи на триенето между съседни нанотръби. Докато пяната се компресира, нанотръбите се огъват, извиват и плъзгат една спрямо друга. Техните контактни точки претърпяват бързи взаимодействия тип "зацепване-плъзгане" (stick-slip), включително многократно "закопчаване" и "разкопчаване" на тръбичките, които се закрепват и разделят.
Тези взаимодействия разсейват енергия, но не се управляват от бавния, зависим от времето вискозитет, който причинява избледняване на паметта в полимерните пени. Изследователите са разработили зависим от деформацията модел на триене тип "stick-slip", който възпроизвежда наблюдаваните памет за възстановяване, хистерезис и точка на връщане.
Разграничението би могло да направи материала по-гъвкав от механичните памети, изградени от бистабилни метаматериални структури. Тези системи обикновено кодират едно от две геометрични състояния, еквивалентни на 0 или 1. Паметта на нанотръбната пяна може вместо това да заема непрекъснат диапазон от механични състояния, определени от историята на нейното натоварване.
Завършването на цикъл на компресия също изтрива съответната история чрез това, което физиците наричат "wiping-out effect" - това свойство гарантира, че миналите екстремуми, веднъж превишени от по-голямо входно напрежение или сила, вече не влияят на последващите изходни реакции. Това прави паметта на материала многократно използваема, а не постоянен запис на всяка сила, на която е бил подложен.
По-силните удари водят до по-бавни вълни
За да покажат, че ефектът може да върши полезна работа, екипът подрежда дискове от нанотръбна пяна между твърди алуминиеви слоеве, създавайки тесен вълновод, наподобяващ ролка монети. Задвижван от газ снаряд удари единия край, докато тензодатчиците измерват получения импулс на напрежение по-нататък по стека.
Изследователите откриват два независими начина за промяна на скоростта на пулса.
Предварителното компресиране на слоевете от нанотръбки ги прави по-твърди и кара вълните да се разпространяват по-бързо. Увеличаването на силата на входящия удар води до обратния ефект: по-голямото динамично напрежение омекотява пяната, което кара импулсът да се разпространява по-бавно.
Тази комбинация предполага, че материалът може да бъде програмиран да се справя с ударите по различен начин в зависимост от тяхната интензивност. Множество от различно предварително компресирани вълноводи биха могли да разпространяват опасен импулс във времето, вместо да позволяват на енергията му да достигне едновременно до едно място.
Изследователите моделират една такава фазирана решетка, показвайки как вълните с ниска амплитуда могат да се слеят във фокусиран пик, докато по-силните ударни вълни губят синхронизация и се появяват отслабвания. Следователно, облицовка на каска, базирана на концепцията, би могла да преразпредели високоенергийните удари, без да разчита на захранвани сензори или активни контроли.
Същото поведение би могло да подпомогне механичните аналогови изчисления. Правилно подредените вълноводи биха могли потенциално да филтрират, пропускат или спират, или разпознават входящите вълнови форми, докато сигналът остава механичен, като по този начин се избягват енергийните разходи за преобразуването му в цифрова информация.
В крайна сметка това може да означава защитно оборудване, което реагира различно на рутинни вибрации и опасни удари, компоненти на превозни средства или космически кораби, които предават безвредни механични сигнали, докато разпръскват вредни ударни вълни, или ултразвукови системи, които механично изолират и усилват специфични вълнови модели, преди да достигнат до електронните процесори.
Тъй като реакцията е вградена в материала, такива устройства биха могли да бъдат особено полезни в изолирани или екстремни места, където захранването, сензорите и стандартната електроника са ограничени.
Засега тези устройства остават по-скоро концепции, отколкото завършени защитни системи. Изследователите експериментално демонстрират ефекта на паметта и настройваемата скорост на вълната, но тестват ограничителя на удара с фазирана решетка чрез аналитично моделиране.
Въпреки това, пробивът показва, че даден материал не се нуждае от електроника или дори от видимо различна форма, за да запази и обработва информация.
"Един от поразителните аспекти на тазя VACNT пяна е, че изглеждат защитени от разграждане: Те не стареят и не натрупват повреди", посочва д-р Джоузеф Полсен (), механичен физик в колежа "Сейнт Олаф", който не е участвал в изследването. "Изследователите показват как този обемен отговор може да се използва за разработване на полезни акустични материали."
Справка: Enduring Mechanical Memory from the Constitutive Response of Elastically Recoverable Nanostructured Materials; Abhishek Gupta, Bhanugoban Maheswaran, Nicholas Jaegersberg, Komal Chawla and Ramathasan Thevamaran; Phys. Rev. X 16, 031073 – Published 18 September, 2026; DOI: https://doi.org/10.1103/n723-s2t6
Източници:
Nanotube Material Has Perfect Memory, Physics Magazine
Scientists Create Carbon-Nanotube Foam That “Remembers” Exactly How Hard It Was Hit, Tim McMillan, The Debrief
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Необикновена космическа експлозия, случваща се веднъж на хилядолетие
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция