Ученые впервые увидели, как распространяются фононы — кванты колебательной энергии — в самоорганизующихся наноматериалах с необычными свойствами, которых почти нет в природе. Это открытие позволит создавать перестраиваемые метаматериалы с заданными механическими характеристиками, причем их можно будет производить прямо из раствора. Такие материалы пригодятся везде — от амортизации ударов до управления акустическими и оптическими сигналами в мощных компьютерах.

Результаты опубликованы в издании Nature Materials.

Фононы — это, по сути, волны энергии, которые бегут через структуру материала, заставляя его частицы колебаться. Они есть везде: в теплопередаче, звуке и даже землетрясениях. Некоторые материалы, искусственные или природные, умеют направлять фононы по нужным траекториям, что придает им особые свойства. Например, сейсмостойкие конструкции или скелеты глубоководных губок, которые выдерживают чудовищное давление.

С помощью нашей методики — электронной микроскопии в жидкой среде — мы впервые увидели, как фононы ведут себя в самоорганизующихся наночастицах, — говорит Цянь Чень, профессор материаловедения из Университета Иллинойса. — Теперь можно проектировать метаматериалы с новыми механическими свойствами, встраивая в них наночастицы с нужными оптическими, магнитными или химическими характеристиками.

Машинное обучение помогло разобраться в сложной динамике самоорганизации частиц, а значит, открывает путь к созданию материалов с заранее заданными свойствами.

Этот прорыв может привести к появлению:

• умных амортизаторов, которые подстраиваются под силу удара;
• акустических процессоров, где данные передаются звуковыми волнами вместо электричества;
• легких бронежилетов, работающих по принципу скелетов морских губок.

Но самое интересное — возможность создавать материалы «на заказ», комбинируя наночастицы как конструктор.

Метод электронной микроскопии в жидкости пока работает только в лабораторных условиях. Для массового производства таких метаматериалов потребуются более дешевые и масштабируемые технологии. Кроме того, неясно, как поведет себя система при длительной эксплуатации — например, не начнут ли наночастицы «рассыпаться» под нагрузкой.

Ранее ученые обнаружили в нанотрубках сверхэластичность, вызванную окислением.