Ευρήματα οδηγούν σε νέα μηχανικά μεταϋλικά που μπορούν να εμποδίσουν τη συμμετρία της κίνησης

Μηχανικοί και επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν και στο Ινστιτούτο AMOLF (Atomic and Molecular Physics), στην Ολλανδία, ανακάλυψαν, όπως περιγράφεται σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature στις 13 Φεβρουαρίου, το πρώτο μηχανικό μεταϋλικό που εύκολα μεταφέρει την κίνηση προς μια κατεύθυνση ενώ την εμποδίζει προς άλλη. Το υλικό μπορεί να θεωρηθεί σαν μια μηχανική μονής κατεύθυνσης, που εμποδίζει την ενέργεια που εισέρχεται αλλά εύκολα μεταφέρει αυτή που βγαίνει προς την άλλη πλευρά.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν τα πρώτα μη-αμοιβαία μηχανικά υλικά χρησιμοποιώντας μεταϋλικά, που είναι συνθετικά υλικά με ιδιότητες που δεν μπορούν να βρεθούν στη φύση. Το σπάσιμο της συμμετρίας της κίνησης, μπορεί να επιτρέψει το μεγαλύτερο έλεγχο σε μηχανικά συστήματα και τη βελτίωση της επίδοσής τους. Αυτά τα μη-αμοιβαία μεταϋλικά μπορούν εν δυνάμει να χρησιμοποιηθούν για να γίνουν νέοι τύποι μηχανικών συσκευών: για παράδειγμα, ενεργοποιητές (συστατικά μιας μηχανής που είναι υπεύθυνα για μηχανισμούς κίνησης ή ελέγχου) και άλλες συσκευές που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απορρόφηση, μετατροπή και συλλογή ενέργειας, ήπια ρομποτική και προσθετική.

Η επανάσταση των ερευνητών έγκειται στην ικανότητα να ξεπεραστεί η αμοιβαιότητα, μια θεμελιακή αρχή που διέπει πολλά φυσικά συστήματα, η όποια εξασφαλίζει ότι παίρνουμε την ίδια απόκριση όταν ωθούμε μια αυθαίρετη δομή από αντίθετες κατευθύνσεις. Η αρχή αυτή ελέγχει πώς μεταδίδονται στο χώρο σήματα διαφόρων μορφών και εξηγεί γιατί, εάν μπορούμε να στείλουμε ένα ραδιοσήμα ή ένα ακουστικό σήμα, μπορούμε επίσης να το λάβουμε. Στη μηχανική, η αμοιβαιότητα υπονοεί ότι η κίνηση διαδίδεται μέσω ενός αντικειμένου: Εάν με σπρώξιμο στη μεριά Α κινήσουμε την μεριά Β κατά μια ορισμένη ποσότητα, μπορούμε να αναμένουμε την ίδια κίνηση στην μεριά Α, όταν σπρωχθεί η Β.

«Τα μηχανικά μεταϋλικά που δημιουργήσαμε παρέχουν νέα στοιχεία στην παλέτα που οι επιστήμονες των υλικών μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να σχεδιάσουν μηχανικές δομές», είπε ο Andrea Alu, Καθηγητής στο Cockrell School of Engineering και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτό μπορεί να είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον για εφαρμογές στις οποίες είναι επιθυμητό να σπάσει η φυσική συμμετρία με την οποία οι μετατοπίσεις των μορίων συμβαίνουν στη μικροδομή ενός υλικού».

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δυο ετών ο Alu, μαζί με τον Δημήτριο Σούνα, ερευνητή στο Cockrell School και άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας τους, έκαναν συναρπαστικές τομές στην περιοχή των μη-αμοιβαίων συσκευών για την ηλεκτρομαγνητική και την ακουστική, συμπεριλαμβανομένων την πραγματοποίηση των πρώτων στο είδος τους μη-αμοιβαίων συσκευών για ήχο, ραδιοκύματα και φως. Ενώ επισκεπτόμενοι το ινστιτούτο AMOLF στην Ολλανδία, άρχισαν μια γόνιμη συνεργασία με τον Corentin Coulais, έναν ερευνητή του AMOLF, που πρόσφατα ανέπτυξε μηχανικά μεταϋλικά. Η στενή τους αλληλεπίδραση οδήγησε σε αυτή την σημαντική πρόοδο.

Οι ερευνητές πρώτα δημιούργησαν ένα κατασκευασμένο από καουτσούκ μεταϋλικό, σε κλίμακα εκατοστόμετρου, με μια ειδικά προσαρμοσμένη σχεδίαση ψαροκόκαλου σκελετού. Προσάρμοσαν το σχέδιό τους για να ικανοποιήσουν την κύρια συνθήκη για να σπάσουν την αμοιβαιότητα, δηλαδή την ασυμμετρία και για μια απόκριση που είναι μη-γραμμικά ανάλογη με τη δύναμη που ασκήθηκε.

«Αυτή η δομή μας ενέπνευσε για το σχεδιασμό ενός δεύτερου μεταϋλικού, με ασυνήθιστα ισχυρές ιδιότητες μη-αμοιβαιότητας», ανέφερε ο Coulais. «Αντικαθιστώντας τα απλά γεωμετρικά στοιχεία του ψαροκόκαλου μεταϋλικού με πιο περίπλοκη αρχιτεκτονική φτιαγμένη από συνδεδεμένα στοιχεία σε σχήμα τετραγώνου και ρόμβου, βρήκαμε ότι μπορούμε να σπάσουμε πολύ έντονα τις συνθήκες για αμοιβαιότητα και μπορούμε να πετύχουμε μια πολύ ευρεία απόκριση μη-αμοιβαιότητας».

Η δομή του μεταϋλικού είναι ένα πλέγμα τετραγώνων και ρόμβων που είναι απόλυτα ομοιογενής παντού στο δείγμα, σαν κανονικό υλικό. Ωστόσο, κάθε μονάδα του πλέγματος είναι ελαφρά αποκλίνουσα με ορισμένο τρόπο και αυτή η ανεπαίσθητη διαφορά ελέγχει δραματικά τον τρόπο με τον οποίο το μεταϋλικό αποκρίνεται σε εξωτερικές διεγέρσεις.

«Το μεταϋλικό ως όλο αντιδρά ασύμμετρα, με μια πολύ δύσκαμπτη πλευρά και μια πολύ μαλακή πλευρά», δήλωσε ο Σούνας. «Η σχέση μεταξύ της μοναδιαίας ασυμμετρίας και της θέσης της μαλακής πλευράς μπορεί να προβλεφτεί σε ένα πολύ γενικό μαθηματικό πλαίσιο που ονομάζεται τοπολογία. Εδώ, όταν οι αρχιτεκτονικές μονάδες κλίνουν αριστερά, η δεξιά πλευρά του μεταϋλικού θα είναι πολύ μαλακή και το αντίστροφο».

Όταν οι ερευνητές εφαρμόζουν μια δύναμη στη μαλακή πλευρά του μεταϋλικού, προκαλούν εύκολα περιστροφές στα τετράγωνα και στους ρόμβους μέσα στη δομή, αλλά μόνο στην κοντινή περιοχή γύρω από το σημείο πίεσης και το αποτέλεσμα στην άλλη μεριά είναι μικρό. Αντίστροφα, όταν εφαρμόζουν την ίδια δύναμη στη σκληρή πλευρά, η κίνηση διαδίδεται και ενισχύεται παντού στο υλικό, με ένα έντονο αποτέλεσμα στην άλλη μεριά. Ως αποτέλεσμα, ωθώντας από αριστερά ή από δεξιά παράγονται πολύ διαφορετικές αποκρίσεις, αποδίδοντας μια ευρεία μη-αμοιβαιότητα ακόμη και για μικρές εφαρμοζόμενες δυνάμεις.

Η ομάδα αναζητεί να αξιοποιήσει αυτά τα τοπολογικά μηχανικά μεταϋλικά για διάφορες εφαρμογές, βελτιστοποιώντας τα και κατασκευάζοντας συσκευές από αυτά για εφαρμογές στη ήπια ρομποτική, στην προσθετική και την συλλογή ενέργειας.