Метаматериалы представляют собой искусственно созданные структуры, уникальные свойства которых определяются их архитектурой, а не только химическим составом. Появившись за последнее десятилетие, эти материалы с инженерно спроектированной трехмерной геометрией на микро- и наноуровне демонстрируют механические и физические характеристики, редко встречающиеся в природе, открывая возможности, недоступные для традиционных материалов.
Обладая уникальными механическими и функциональными свойствами, архитектурные материалы обещают революционные изменения во многих отраслях. Их потенциал огромен, охватывая сферы от биомедицинских имплантатов и спортивного инвентаря до автомобильной, аэрокосмической, энергетической и электронной промышленности. Однако полное раскрытие этого потенциала пока сдерживается.
Основные препятствия лежат в плоскости проектирования, производства и характеризации таких сложных структур. Преодоление этих трудностей и обеспечение масштабируемости производства являются ключевыми задачами, решение которых способно трансформировать целые индустрии и технологии.
Недавно в журнале Nature Materials была опубликована статья в формате "Perspective" под названием "Enabling three-dimensional architected materials across length scales and timescales" («Создание трехмерных архитектурных материалов в различных масштабах длины и времени»). Этот формат публикаций предназначен для обсуждения спекулятивных, спорных или узкоспециализированных тем, не подходящих для стандартного обзора.
Авторами статьи выступили Карлос Портела, занимающий должности Robert N. Noyce Career Development Professor и доцента машиностроения в Массачусетском технологическом институте (MIT), и Джеймс Сурджади, постдокторант в области машиностроения также в MIT. В своей работе они анализируют ключевые проблемы, возможности и будущие применения механических метаматериалов, обобщают передовые подходы и указывают на существующие пробелы в знаниях.
Для дальнейшего прогресса необходимы инновации в производстве материалов, охватывающие все масштабы от нано- до макроуровня. Требуется также углубленное понимание поведения метаматериалов в различных временных масштабах – от медленной деформации до реакции на динамические удары. Это потребует междисциплинарного сотрудничества.
Ускорить открытие и оптимизацию новых метаматериалов предлагается путем синергии высокопроизводительных экспериментов и вычислительных методов. Ключевую роль в этом процессе должны сыграть развивающиеся технологии искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) для проектирования и оптимизации структур.
Важными инструментами станут высокопроизводительные миниатюрные эксперименты, методы бесконтактной характеризации и настольные установки для испытаний в экстремальных условиях. Эти подходы позволят генерировать обширные наборы данных, необходимые для обучения моделей, управляемых данными (data-driven models).
Конечная цель – ускорить оптимизацию и открытие метаматериалов с уникальными программируемыми свойствами. Это позволит создавать более «умные», адаптивные материалы, способные переопределить подходы в инженерии и повлиять на повседневные технологии.
Изложенные в статье идеи и направления исследований соответствуют долгосрочному видению лаборатории The Portela Lab в MIT, девиз которой – «архитектурная механика и материалы во всех масштабах» ("architected mechanics and materials across scales"). На протяжении последних четырех лет лаборатория работает над сокращением разрыва между фундаментальными исследованиями метаматериалов и их практическим применением в реальном мире.
Обладая уникальными механическими и функциональными свойствами, архитектурные материалы обещают революционные изменения во многих отраслях. Их потенциал огромен, охватывая сферы от биомедицинских имплантатов и спортивного инвентаря до автомобильной, аэрокосмической, энергетической и электронной промышленности. Однако полное раскрытие этого потенциала пока сдерживается.
Основные препятствия лежат в плоскости проектирования, производства и характеризации таких сложных структур. Преодоление этих трудностей и обеспечение масштабируемости производства являются ключевыми задачами, решение которых способно трансформировать целые индустрии и технологии.
Недавно в журнале Nature Materials была опубликована статья в формате "Perspective" под названием "Enabling three-dimensional architected materials across length scales and timescales" («Создание трехмерных архитектурных материалов в различных масштабах длины и времени»). Этот формат публикаций предназначен для обсуждения спекулятивных, спорных или узкоспециализированных тем, не подходящих для стандартного обзора.
Авторами статьи выступили Карлос Портела, занимающий должности Robert N. Noyce Career Development Professor и доцента машиностроения в Массачусетском технологическом институте (MIT), и Джеймс Сурджади, постдокторант в области машиностроения также в MIT. В своей работе они анализируют ключевые проблемы, возможности и будущие применения механических метаматериалов, обобщают передовые подходы и указывают на существующие пробелы в знаниях.
Для дальнейшего прогресса необходимы инновации в производстве материалов, охватывающие все масштабы от нано- до макроуровня. Требуется также углубленное понимание поведения метаматериалов в различных временных масштабах – от медленной деформации до реакции на динамические удары. Это потребует междисциплинарного сотрудничества.
Ускорить открытие и оптимизацию новых метаматериалов предлагается путем синергии высокопроизводительных экспериментов и вычислительных методов. Ключевую роль в этом процессе должны сыграть развивающиеся технологии искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) для проектирования и оптимизации структур.
Важными инструментами станут высокопроизводительные миниатюрные эксперименты, методы бесконтактной характеризации и настольные установки для испытаний в экстремальных условиях. Эти подходы позволят генерировать обширные наборы данных, необходимые для обучения моделей, управляемых данными (data-driven models).
Конечная цель – ускорить оптимизацию и открытие метаматериалов с уникальными программируемыми свойствами. Это позволит создавать более «умные», адаптивные материалы, способные переопределить подходы в инженерии и повлиять на повседневные технологии.
Изложенные в статье идеи и направления исследований соответствуют долгосрочному видению лаборатории The Portela Lab в MIT, девиз которой – «архитектурная механика и материалы во всех масштабах» ("architected mechanics and materials across scales"). На протяжении последних четырех лет лаборатория работает над сокращением разрыва между фундаментальными исследованиями метаматериалов и их практическим применением в реальном мире.