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
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Раскрыта главная тайна антарктического льда: ученые узнали, как и кем была взломана природная защита Шестого континента
Похоже, той Антарктиде, которую мы знаем, приходит конец. Впрочем, это не точно...
Тайна гибели сибирского «Титаника»: почему некоторые детали катастрофы 1921 года неизвестны даже сейчас?
Поразительно, но тогда судьи единогласно оправдали капитана парохода. Так кто же тогда был виновником этого страшного происшествия?...
Древнеримский артефакт переписывает историю Америки: Колумб был не первым?
Почему находка из индейской могилы почти 100 лет вызывает ожесточенные споры среди археологов и историков?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены. Часть 2. Расплата
Как наука отменила срок давности у преступления? И какая тайна осталась не раскрытой?...
Японец 26 лет ждал, пока раскроют убийство его жены
Как новейшие технологии помогли сдвинуть с места нераскрываемое дело...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...
Жители Анд переписали свою ДНК: почему горные индейцы пьют ядовитую воду, но чувствуют себя при этом хорошо?
По словам ученых, эволюция сделала красивый и хитрый ход. И это не иммунитет к токсинам, а нечто другое, более интересное...
Еще раз об убийстве Андрея Боголюбского: что рассказали кости погибшего князя?
Профессор судебной медицины поправил историков и выявил неточности древних летописей...