Самоорганизующаяся решётка Максвелла из золотых нанокубов со структурной вырожденностью. Источник: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02253-3
По словам исследователей, эта работа поможет учёным и инженерам лучше проектировать метаматериалы — вещества, обладающие экзотическими свойствами, которые редко встречаются в природе, — которые можно перестраивать и изготавливать из растворов, содержащих наночастицы, самособирающиеся в более крупные структуры. Эти материалы имеют широкий спектр применения — от амортизации до устройств, направляющих акустическую и оптическую энергию в мощных компьютерных системах.
«Это открывает новую область исследований, в которой наноразмерные строительные блоки — наряду с присущими им оптическими, электромагнитными и химическими свойствами — могут быть включены в состав механических метаматериалов, что позволяет создавать новые технологии в различных областях — от робототехники и машиностроения до информационных технологий», — сказал Сяоминг Мао, профессор физики в Мичиганском университете и соавтор нового исследования.
Фононы — это природные явления, которые можно представить как дискретные пакеты волн, проходящих через строительные блоки материалов, будь то атомы, частицы или 3D-печатные шарниры, заставляя их вибрировать и передавать энергию. Это квантово-механическое описание общих свойств, наблюдаемых в различных контекстах, включая передачу тепла, распространение звука и даже сейсмические волны, возникающие при землетрясениях.
Некоторые материалы, как искусственные, так и природные, сконструированы таким образом, чтобы фононы двигались по определённым траекториям, придавая им определённые механические свойства. Два реальных примера этого: материалы, используемые в конструкциях для защиты от сейсмических волн во время землетрясений, и эволюция прочных, но лёгких скелетов глубоководных губок, которые позволяют организмам выдерживать экстремальное давление глубоководной среды.
Вдохновлённые лёгкими скелетами глубоководных губок, инженеры разрабатывают передовые метаматериалы, которые адаптируются к экстремальным условиям. Новое исследование объединяет макро- и наноразмерную самосборку для развития робототехники, инженерии и информационных технологий. Фото: Программа NOAA Okeanos Explorer, INDEX-SATAL 2010
«Используя метод жидкофазной электронной микроскопии, разработанный в нашей лаборатории в Иллинойсе, мы впервые смогли наблюдать фононную динамику в самоорганизующихся наночастицах, которые действуют как новый тип механических метаматериалов», — сказал Цянь Чен, профессор материаловедения и инженерии в Иллинойсском университете.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, объединяет сборку наночастиц с принципами создания механических метаматериалов, что позволяет управлять механическими свойствами с помощью структурного проектирования. Проект является результатом четырёхлетнего сотрудничества Чена, который руководил научной частью и экспериментами, Мао из Мичиганского университета, который руководил теоретической частью и созданием механических метаматериалов, и Вэньсяо Паня, доцента кафедры механики в Университете Висконсина, который руководил моделированием.
«Разработка метаматериалов — очень активная область, — сказал Чен. — Большинство исследований сосредоточено на макроуровне, где легче контролировать геометрию и структуру, а также измерять и моделировать фононные свойства».
Но Чен и ее коллеги работают на наноуровне, где как инженерные, так и теоретические подходы к управлению фононами сложны. Чтобы решить эту проблему, команда использовала точное теоретическое моделирование в сочетании с экспериментами, методами наблюдения и ускоренным машинным обучением моделированием для разработки новой концепции проектирования метаматериалов.
В лаборатории с помощью жидкофазной электронной микроскопии команда исследовала колебательные траектории золотых наночастиц, чтобы определить структуру фононных зон, а затем сопоставила эти структуры с дискретной механической моделью, чтобы выделить наноразмерные пружины.
«Эта работа также демонстрирует потенциал машинного обучения в изучении сложных систем частиц, позволяя наблюдать за процессами их самосборки, управляемыми сложной динамикой, — сказал Пан. — Это открывает новые возможности для обратного проектирования реконфигурируемых коллоидных метаматериалов на основе данных с использованием машинного обучения и искусственного интеллекта.»
«Мы чувствуем, что находимся на стыке дисциплин, сотрудничества и потребности в развитии материаловедения, — сказал Чен. — С помощью сборки наночастиц мы можем создавать структуры с очень контролируемой геометрией, а затем с помощью механических метаматериалов адаптировать теоретическую базу для проектирования материалов».