Новый материал подпрыгивает в 200 раз выше собственной толщины
Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере разработали новую резиноподобную плёнку, которая может высоко подпрыгивать при изменении температуры.
Исследователи описали своё достижение 18 января в журнале Science Advances. И утверждают, что подобные материалы помогут однажды создать «мягких роботов», то есть способных двигаться или двигать что-либо без шестерней или других жёстких компонентов для перемещения.
По словам соавтора исследования Тимоти Уайта, композитный материал реагирует примерно так же, как прыгают кузнечики, которые накапливают и высвобождают энергию в лапках.
— Тимоти Уайт, профессор химической и биологической инженерии Колорадского университета в Боулдере.
В новом исследовании использовали необычное поведение класса материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами (LCE). Эти материалы представляют собой твёрдые и эластичные полимерные версии жидких кристаллов, используемых, например, в ноутбуках или телевизорах.
Исследователи изготовили небольшие пластины из LCE размером с контактную линзу, а затем поместили их на горячую плиту. Нагреваясь, плёнки начинали деформироваться в форму миски, которая вздымалась и вдруг молниеносно, за 6 миллисекунд, выворачивалась наизнанку. И образец взлетал на высоту, почти в 200 раз превышающую его собственную толщину.
Аспирантка Тейлер Хебнер, ныне аспирантка-исследователь из Университета штата Орегон, и её коллеги обнаружили это свойство подпрыгивать почти случайно. Хебнер экспериментировала с созданием различных видов жидкокристаллических эластомеров, чтобы посмотреть, как на них влияет изменение температуры. Джозель МакКракен, старший научный сотрудник лаборатории Уайта, присоединилась к ней для наблюдения.
— Тейлер Хебнер, аспирантка.
Благодаря тщательным экспериментам и помощи сотрудников Калифорнийского технологического института команда обнаружила, что заставляет их материал прыгать в высоту. Профессор Тимоти Уайт объяснил, что каждая из плёнок-образцов состоит из трёх слоёв эластомера. По его словам, эти слои сжимаются, когда нагреваются, но два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний. Это несоответствие в сочетании с ориентацией молекул жидких кристаллов внутри слоёв заставляет плёнку сжиматься и формировать выпуклость. По мере формирования выпуклости в плёнке накапливается напряжение, и вдруг — щелчок! Одна и та же плёнка может прыгать несколько раз без признаков износа.
Жидкокристаллические эластомеры команды универсальны. Исследователи могут настроить свои плёнки таким образом, чтобы они подпрыгивали, когда им «становится холодно», например, а не жарко. Они также могут приделать плёнкам ножки, чтобы заставить их прыгать в определённом направлении.
Исследователи описали своё достижение 18 января в журнале Science Advances. И утверждают, что подобные материалы помогут однажды создать «мягких роботов», то есть способных двигаться или двигать что-либо без шестерней или других жёстких компонентов для перемещения.
По словам соавтора исследования Тимоти Уайта, композитный материал реагирует примерно так же, как прыгают кузнечики, которые накапливают и высвобождают энергию в лапках.
В природе многое работает, как нога кузнечика, используя накопленную энергию в виде упругой нестабильности. Мы пытаемся создать синтетические материалы, которые имитируют эти природные свойства
— Тимоти Уайт, профессор химической и биологической инженерии Колорадского университета в Боулдере.
В новом исследовании использовали необычное поведение класса материалов, называемых жидкокристаллическими эластомерами (LCE). Эти материалы представляют собой твёрдые и эластичные полимерные версии жидких кристаллов, используемых, например, в ноутбуках или телевизорах.
Исследователи изготовили небольшие пластины из LCE размером с контактную линзу, а затем поместили их на горячую плиту. Нагреваясь, плёнки начинали деформироваться в форму миски, которая вздымалась и вдруг молниеносно, за 6 миллисекунд, выворачивалась наизнанку. И образец взлетал на высоту, почти в 200 раз превышающую его собственную толщину.
Аспирантка Тейлер Хебнер, ныне аспирантка-исследователь из Университета штата Орегон, и её коллеги обнаружили это свойство подпрыгивать почти случайно. Хебнер экспериментировала с созданием различных видов жидкокристаллических эластомеров, чтобы посмотреть, как на них влияет изменение температуры. Джозель МакКракен, старший научный сотрудник лаборатории Уайта, присоединилась к ней для наблюдения.
Мы просто смотрели, как жидкокристаллический эластомер лежит на горячей плите, задаваясь вопросом, почему он принимает не ту форму, которой мы ожидали. Он внезапно прыгнул прямо на столешницу. Мы обе просто посмотрели друг на друга и в некотором замешательстве, и с восторгом
— Тейлер Хебнер, аспирантка.
Благодаря тщательным экспериментам и помощи сотрудников Калифорнийского технологического института команда обнаружила, что заставляет их материал прыгать в высоту. Профессор Тимоти Уайт объяснил, что каждая из плёнок-образцов состоит из трёх слоёв эластомера. По его словам, эти слои сжимаются, когда нагреваются, но два верхних слоя сжимаются быстрее, чем нижний. Это несоответствие в сочетании с ориентацией молекул жидких кристаллов внутри слоёв заставляет плёнку сжиматься и формировать выпуклость. По мере формирования выпуклости в плёнке накапливается напряжение, и вдруг — щелчок! Одна и та же плёнка может прыгать несколько раз без признаков износа.
Жидкокристаллические эластомеры команды универсальны. Исследователи могут настроить свои плёнки таким образом, чтобы они подпрыгивали, когда им «становится холодно», например, а не жарко. Они также могут приделать плёнкам ножки, чтобы заставить их прыгать в определённом направлении.
- Дмитрий Ладыгин
- youtu.be/6hxcTiQPvbQ
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Вопреки пропаганде Гитлера: почему немцы на фронте ценили советское оружие?
Брали все: пистолеты-пулеметы, винтовки, минометы, танки и даже самолеты...
«Цирк Шубикова» с бомбами: как в СССР создали «невозможный» авианосец
Самолеты атаковали противника, срываясь с летающей авиабазы. Это пытались сделать и США, и Германия, но получилось только у Советского Союза...
Необъяснимые взрывы в небе: темная история первого реактивного лайнера
Почему серия катастроф с британскими самолетами отдала воздух Советскому Союзу?...
Медный парадокс: почему электричество никогда не придет в каждый дом
Эксперты считают, что развитие цивилизации уперлось в мощный геологический барьер. Кто виноват и как выходить из этой ситуации?...
Тайна разгадана: почему люди — это единственные приматы с подбородком
Оказалось, что эволюция действует не так, как столетиями считали ученые...
«Проклятие» Романовых: отчего на самом деле умер брат Петра I, царь Федор?
Российские ученые разгадали болезнь, которая свела в могилу старшую ветвь царской семьи...
Обнаружены, но обречены: кто угрожает гробницам, которые старше первых пирамид?
6000-летняя культура, обнаруженная спутниками, была уникальной. Она застала времена, когда Сахара была еще зеленой...
60 млрд Солнц в одной точке: что скрывает самая тяжелая пара черных дыр?
Секрет абсолютной пустоты, похоже, разгадан. Там нет вообще ничего: Ни пыли, ни газа, ни звезд...
Назад в будущее: почему Швеция запрещает смартфоны в школах и возвращается к бумажным учебникам?
По словам экспертов, отмена цифровизации сейчас происходит во многих странах. Неужели человечество одумалось и начинает выздоравливать?...
СССР был первым в энергии ветра: что помешало стать лидером планеты?
Это был невероятный и прорывной проект советского конструктора Юрия Кондратюка. Того самого, по расчетам которого, американцы полетели на Луну...
Новое исследование: Христофор Колумб — вообще не тот, кем его считали историки
Ученые даже назвали подлинное имя великого мореплавателя...
Еще одна тайна Аркаима разгадана: ученые объяснили, почему древний город построен именно на этом месте
Оказалось, что наши далекие предки очень умело использовали природную инфраструктуру и обладали инженерными знаниями...
Мы все «марсиане»: ученые доказали, что жизнь с Красной планеты могла долететь за несколько лет
Компьютерное моделирование подтвердило: бактерии способны пережить Великий перенос с Марса на Землю. И этот процесс может идти прямо сейчас...