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
Защитника замка словно пропустили через мясорубку: ученые воссоздали действие супероружия XIV века
Почему историки говорят, что это было даже не война, а технологическое шоу?...
Еще одна тайна Туринской плащаницы: лазер «проявил» то, что скрывалось веками
Почему сейчас ученые уверены: в момент воскрешения Христа изображения на ткани еще не было?...
Удивительная суперспособность помогла человечеству пережить последний ледниковый период
Ученые говорят: древние люди даже не дрожали от холода. Но как это у них получалось?...
Энергетическая революция отменяется? Ученые рассказали, как водород убивает современные турбины
Топливо будущего оказалось с таким опасным подвохом, что в пору от него отказаться...
На первом месте из 500: названы самые опасные в плане радиации профессии
С виду безобидные и престижные специальности оказались опаснее работы рядом с реактором или рентгеновским аппаратом...
Жизнь на Венере или хитрая афера: кому в 2020 году понадобилось запускать ракету на соседнюю планету?
Самое поразительное в этой истории то, что главный вопрос в ней так и остался открытым...
Был ли император Петр татарином по матери: что говорят документы и ученые?
Эта история имела продолжение: впоследствии родственники царя оказались еще… и «германцами»...
Небо зеленого цвета: почему ученые считали народы Севера «цветовыми инвалидами»?
И как так вышло, что сейчас у северян с цветовосприимчивостью все замечательно?...
Проект A119: как Америка хотела бороться за мир во всем мире... ядерной бомбардировкой Луны
Почему же эта сверхамбициозная программа в итоге была отменена и что напугало в ней американских генералов?...
Об этой проблеме не говорят вслух на орбите, но теперь ученые смогут помочь космонавтам
Эксперты говорят: если не исправить сложившуюся ситуации, то о полетах на Марс и дальше можно забыть...
Самый популярный авиалайнер оказался «дырявым»: Boeing-737 взломали за одну минуту «монеткой»
Оказалось, что некоторые устройства в самолете не менялись… еще с прошлого века...