Oameni de știință au creat un nou material care poate absorbi și elibera cantități imense de energie

O echipă de cercetători de la University of Massachusetts Amherst au anunțat recent în revista „Proceedings of the National Academy of Sciences” că au creat o nouă substanță solidă asemănătoare cauciucului care are calități surprinzătoare, informează Phys.org. Poate absorbi și elibera cantități imense de energie. Și este programabilă.

Cu asemenea proprietăți, noul material este promițător pentru o vastă gamă de aplicații, de la roboți cu mai multă putere fără surse de energie suplimentară până la noi căști și materiale de protecție care pot disipa energia mult mai repede.

„Imaginați-vă o bandă de cauciuc”, spune prof. Alfred Crosby, profesor de știința polimerilor și inginerie la UMass Amherst și autor senior al articolului. „O tragi înapoi și când o eliberezi zboară în partea cealaltă a camerei. Acum imaginați-vă o bandă de supercauciuc. Când o întinzi dincolo de un anumit punct, se activează energia înmagazinată în material. Când îi dai drumul, zboară o milă.”

Ipotetica bandă de cauciuc este făcută dintr-un nou metamaterial – o substanță prelucrată astfel încât să aibă o proprietate absentă în materialele din natură– care combină o substanță elastică, asemănătoare cauciucului, cu mici magneți incluși în ea. În imaginea de mai sus, polii magneților sunt colorați în roșu și albastru. Orientarea magneților în direcții diferite schimbă proprietățile materialului„elasto-magnetic”. Acesta profită de o proprietate fizică cunoscută ca „schimbare de fază”, care amplifică puternic cantitatea de energie pe care materialul o poate absorbi sau elibera.

O schimbare de fază apare când materialul trece dintr-o fază în alta: gândiți-vă la apa care se transformă în abur sau betonul lichid care se întărește pe un trotuar. Când un material își schimbă faza, energie este ori eliberată, ori absorbită. Schimbarea de fază nu se limitează la alternări între stări lichide, solide sau gazoase – ea poate apărea și de la o fază solidă la alta. O schimbare de fază care eliberează energie poate fi exploatată ca sursă de putere, dar obținerea de suficientă energie a fost mereu partea dificilă.

„Ca să amplifici eliberarea sau absorbția de energie trebuie să creezi o structură nouă la nivel atomic sau molecular”, spune Crosby. Dar este greu de realizat și încă și mai dificil de făcut într-un mod predictibil. Utilizând metamateriale, Crosby spune că „am depășit aceste dificultăți și nu numai că am creat noi materiale, dar am dezvoltat și algoritmii de proiectare care permit acestor materiale să fie programate cu răspunsuri specifice, făcându-le predictibile.”

Echipa s-a inspirat din reacții iuți ca fulgerul, văzute în natură: închiderea peste pradă a unei plante carnivore și fălcile-capcane ale unei specii de furnici. „Le-am dus la nivelul următor”, spune Xudong Liang, principalul autor al lucrării, acum profesor la Harbin Institute of Technology, Shenzen (HITSZ), China, pe care a elaborat-o în stadiul postdoctoral la UMass.

„Inlcuzând mici magneți în materialul elastic putem controla tranzițiile de fază ale acestui metamaterial. Iar din cauză că schimbarea de fază este predictibilă și repetabilă, putem prelucra materialul ca să facă exact ce vrem: fie absorbind energie dintr-un impact puternic, fie eliberând cantități imense de energie pentru o mișcare explozivă.”

Cercetarea, care a fost sprijinită de US Army Research Laboratory și US Army Research Office, precum și de HITSZ, are aplicații în orice scenariu în care sunt cerute impacturi cu forțe mari sau răspunsuri rapide ca fulgerul.