Mezinárodní výzkumný tým vyvinul mechanický metamateriál, který silně reaguje na pohyb z jedné strany a blokuje pohyb, který přichází ze strany druhé. Výzkum, který narušuje základní předpoklad mechanického inženýrství, by mohl mít řadu aplikací – od tlumení mechanických šoků až po protetiku a robotiku.
Metamateriály jsou uměle vyrobené kompozitní materiály, které díky své vnitřní struktuře získávají nové nebo neobvyklé elektrické, magnetické, mechanické a optické charakteristiky, jež se u přírodních látek nevyskytují. Nejznámější z nich je záporný index lomu, který umožňuje realizaci dnes již často zmiňovaného „pláště neviditelnosti“.
Nový metamateriál se neřídí principem reciprocity, základním principem, který řídí mnoho fyzikálních systémů. Tento princip se vztahuje k symetrickému přenosu energie mezi dvěma body v prostoru. Bez ohledu na to, z kterého a do kterého bodu se energie přenáší, jde o symetrický proces. V praxi reciprocita znamená, že když zatlačíte na jednu stranu objektu, odezva je stejná, jako když tlačíte na opačnou stranu. Mechanický impulz se objektem šíří symetricky.
Fyzici z univerzity v Texasu už dříve pracovali na zrušení reciprocity v případě šíření akustických vln. Zkonstruovali zařízení, které umožňuje pouze jednosměrné šíření zvuku. To je založeno na kruhovém vlnovodu, který se normálně používá v komunikačních zařízeních a v radarech. Jde o nereciproční tříportový prvek, kterým se mikrovlny nebo rádiový signál šíří sekvenčně od jednoho portu k druhému. Pokud jeden z portů není v provozu, začne prvek pracovat jako izolátor, který umožňuje, aby se signál šířil z jednoho portu na další, ale ne opačně. Výsledkem práce byly akustické izolátory a antény, které neslyší vlastní ozvěnu.
Myšlenku o nerecipročních mechanických metamateriálech zrealizovali fyzici z Texasu ve spolupráci s kolegy z Holandska. V Holandsku pracovali na návrhu mechanických metamateriálů, které reagují neobvyklým způsobem na různé podněty, už dříve. Obě skupiny se rozhodly spojit své síly a vytvořit mechanický metamateriál, který se bude chovat nerecipročně v odezvě na síly, jež se nemění s časem.
Výsledkem práce obou skupin byly dva nereciproční metamateriály, které reagují daleko silněji na síly působící z jedné strany, než na síly působící ze strany opačné. První materiál tvořily gumové centimetrové šupiny, které se strukturou podobaly rybí kostře. Materiál vytvářel pružiny uspořádané kolem centrálního páteřního sloupce, z něhož do stran vystupovala pod určitým úhlem žebra. Tato struktura vykazuje nesymetrii, ale pouze když se aplikuje dostatečně velká síla. Pružiny jsou totiž elastické, takže musí být dostatečně stlačeny, aby došlo k jejich rotaci. Teprve potom bude materiál vykazovat nelinearitu.
Druhý umělý metamateriál sestává ze zavěšených čtverců a kosočtverců, které začnou rotovat působením i velmi malého posunutí a nejsou reciproční ani pro malé síly. Když do něj strčíte zprava, přemístíte materiál, ale jen v blízkosti místa, kde jste ho postrčili. Když následně strčíte z druhé strany, vyvoláte pohyb, který se šíří materiálem. Fyzici předpokládají, že struktura podporuje tzv. hranové módy, jež jsou analogické těm, které se vyskytují v topologických izolátorech. Jejich základní vlastností totiž je, že se mohou šířit materiálem pouze jedním směrem. Takový materiál by mohl být užitečný třeba v protetice, kde by například ruka mohla být uvedena do činnosti silou působící z jedné strany, ale nezlomila by se, pokud by se o něco zachytila a působila by na ni síla opačného směru.
Nelineární systémy se strukturními nestabilitami nejsou zcela novou myšlenkou. Podle fyziků z MIT v Massachusetts budou mít široké pole aplikací, a proto se vyplatí věnovat úsilí na jejich vývoj. Mezi odborníky však zatím panuje obava, že s takovými materiály bude velmi obtížná manipulace. Navíc nelinearita může generovat zcela jinou odezvu, pokud je vstupní signál hodně velký, nebo naopak pro velmi malý signál se může systém chovat lineárně.
Fyzici jsou si těchto problémů vědomi, přesto však zvažují možnost vyrobit nereciproční materiály, které by mohly být ovládány elektrickým nebo magnetickým polem. Dalším úkolem je zjistit, zdali je možno řídit nereciprocitu v reálném čase tak, aby byla nastolena jakoukoliv silou.
Metamateriály, které mají schopnost nerecipročního chování, by mohly být používány k výrobě nových spouštěčů, ke zlepšení účinnosti absorbování, konverze, k získávání energie, a dokonce by mohly najít uplatnění také ve zmíněné protetice.
Původní práce byly uveřejněny v Nature a v New Journal of Physics.
Mohlo by vás zajímat:
Třicet
let pozorování Supernovy 1987A
Magnetické
skyrmiony a umělé neurony
Žabí
jazyk jako inspirace pro nové technologie
Američtí
fyzici vytvořili kovovový vodík