構造材料：カイラルメタマテリアルにおけるねじれ座屈を介する大規模な回復性弾性エネルギー

高い回復性弾性エネルギー密度を示すメカニカルメタマテリアル（我々はこれを、高エンタルピー弾性メタマテリアルと呼ぶ）は、効率的な機械的エネルギー貯蔵、耐荷重能、耐衝撃性、運動敏捷性など、多くの特性の向上をもたらし得る。これらの特性は、メカニカルメタマテリアルを、軽量で小型の多機能な構造にとって理想的なものにする。しかし、高エンタルピーの達成は、高い剛性、高い強度、大きな回復性ひずみといった相いれない特性を併せ持つ必要があるため、難題となっている。今回我々は、この課題に対処するために、自由回転可能なカイラルメタセルから高エンタルピー弾性メタマテリアルを構築した。この非最適化カイラルメタマテリアルは、既存の非カイラル格子と比較すると、高い剛性の保持、より大きな回復性ひずみの持続、より広い座屈プラトー、座屈強度の5～10倍向上、エンタルピーの2～160倍向上、質量当たりのエネルギーの2～32倍増大を同時にもたらす。これらの向上は、従来のメタマテリアルでは起こらない、カイラリティーをきっかけとするねじれ座屈変形に起因する。この変形モードは、かなりのエネルギーを追加的に貯蔵する一方、材料破壊を定義するピーク応力への影響は最小限である。今回の知見は、広く工学的関心を集めている根本的かつ一般的な問題である高い機械的エネルギー貯蔵能を有するメタマテリアルと構造について、1つの機構を明らかにするとともに、それらの設計に関する手掛かりをもたらしている。

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