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
Конец 30-летней легенды: Эверест может лишиться одного из главных символов
Эксперты предупреждают индийское правительство: экспедиция будет крайне опасной и вряд ли закончится успехом. Почему?...
Феномен Великой Зеленой стены: за счет чего 66 миллиардов деревьев, высаженных Китаем, растут быстрее естественных лесов?
И почему ученые решили, что природные леса все-таки лучше рукотворных?...
Тайна золотого вулкана: почему гора в Антарктике извергает драгоценный металл?
Ученые уже 30 лет пытаются разгадать этот природный детектив. Что удалось узнать исследователям...
Тайну четырех черных яиц с 6000-метров глубины океана раскрыли японские ученые
Дно морей изучено гораздо хуже, чем поверхность Марса и Луны. Неудивительно, что исследователи постоянно делают открытия...
Проклятье 30 июня: почему в этот день произошло столько крупных катастроф?
Официально виновата погода, но изучение деталей до сих пор вызывает множество вопросов...
Секрет охоты на мамонтов открыт: ученые только что разрушили один из главных мифов древней истории
То, что наука считала исторической реконструкцией, оказалось обычным эпизодом из голливудского фильма...
Ученые «разжаловали» индонезийских хоббитов из умников: огнем не владели, подъедались за варанами
Что же заставило археологов переписать целый пласт древней истории?...
Аномальный дождь из рыбы: 150 лет ученые не могут объяснить эту тайну природы
Это явление официально считается неразгаданным феноменом и проходит в категории чудес и головной боли для науки...
Космический детектив: почему уникальную планету GJ 3378b никак не признают «второй Землей»?
Сами ученые призывают не торопиться с выводами, ведь истории с инопланетным объектом существует множество интересных нюансов...
316 лет на троих: ученые назвали три секрета феноменального долголетия сестер Нунес
Специалисты говорят: важно получить «хорошие гены», но еще важнее ими правильно распорядиться...
Серная кислота в небе: чем грозит пассажирам новый экологический проект?
Эксперты говорят: от этих планов вряд ли откажутся. Но есть ли у нас время, чтобы подготовиться?...