Что такое метаматериалы. Инновации в архитектуре и строительстве

Дата размещения: 2025-10-31

Что такое метаматериалы

Будущее проектирования и архитектуры открывает большие возможности по мере того, как происходит развитие исследований в этой области. Одной из инноваций является возможность делать конструкции акустически невидимыми, поглощать энергию землетрясений или извлекать электричество из окружающих звуков. Подобные качества могут помочь переосмыслить функциональность и устойчивость зданий. Это стало возможным благодаря метаматериалам, которые могут предложить альтернативные методы проектирования качественных зданий.

Метаматериалы – это синтетические композитные материалы, структуры которых обладают свойствами, обычно не встречающимися в природных материалах.

Реакция или функция трехмерной структуры метаматериалов обусловлена коллективным эффектом метаатомных элементов, чего невозможно достичь традиционным способом с использованием любого отдельного составляющего материала.

Метаматериалы отличаются от обычных, традиционных материалов свойствами своей внутренней структуры. В отличие от традиционных материалов, характеризующихся своим химическим составом, метаматериалы разработаны на микроскопическом уровне для управления волнами, что позволяет создавать их для желаемых реакций с вибрациями, звуком или световыми волнами.

Акустические метаматериалы

Наиболее перспективное применение — акустический контроль. Традиционная звукоизоляция основана на использовании толстых и тяжёлых материалов, поглощающих звуковые волны.

Акустические метаматериалы могут полностью перенаправлять звуковые волны, фактически делая здание «акустически невидимым». Эти материалы могут быть разработаны для определённых частот, что позволит им эффективно устранять определённые виды шумового загрязнения.

В городской среде акустические метаматериалы могут найти применение в различных типах помещений, например, в больницах для устранения частот шума медицинского оборудования или в многоквартирных домах, блокирующих звуки уличного движения. По мере роста плотности городов и превращения шумового загрязнения в проблему общественного здравоохранения метаматериалы могут стать многообещающим решением. Исследования показывают, что эти материалы способны обеспечить исключительное шумоподавление при более тонких профилях, чем традиционные методы, тем самым освобождая внутреннее пространство и повышая акустический комфорт.

Применение метаматериалов

Метаматериалы также находят применение благодаря своей способности управлять сейсмическими волнами, что позволяет зданиям противостоять стихийным бедствиям . Инженерные строительные материалы могут поглощать и рассеивать энергию землетрясений, защищая сооружения, благодаря настройке на противодействие определённым частотам землетрясений.

Инновация может сделать сейсмостойкие конструкции доступными и экономически эффективными . Изобретения в этой области становятся прибыльными, особенно в условиях изменения климата, приводящего к увеличению частоты и интенсивности стихийных бедствий. Возможность модернизации существующих зданий с использованием компонентов из метаматериалов может стать инновационным решением для обеспечения сейсмической безопасности в уязвимых регионах по всему миру.

Метаматериалы, способные реагировать на электромагнитные волны, также позволяют контролировать свет и тепло. Они избирательно фильтруют солнечное излучение, перенаправляют естественный свет и управляют тепловыми свойствами в режиме реального времени. Для архитекторов это открывает возможности для разработки современных стратегий естественного освещения, которые снижают зависимость от механических систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, одновременно повышая комфорт для жильцов.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали волокна, изменяющие свойства в зависимости от температуры , что потенциально может привести к созданию тканей, автоматически адаптирующихся к погодным условиям. Среди других инноваций – материалы, которые светятся ярче под действием механических нагрузок, обеспечивая обратную связь в режиме реального времени о состоянии конструкции. Эти адаптивные особенности могут перевести обслуживание зданий с реактивного на предиктивный подход . Переход от пассивных строительных компонентов к активным системам обеспечивает контроль и точность при проектировании зданий.

Переход от лабораторных исследований к строительной площадке набирает реальные обороты. Достижения в области 3D-печати и компьютерного проектирования открывают возможности для масштабного применения метаматериалов в реальном мире. В Делфтском техническом университете исследователи разработали инструменты искусственного интеллекта, которые могут работать в обратном направлении, исходя из желаемых свойств, для создания необходимых конструкций, тем самым обеспечивая баланс между инновациями в проектировании и производственной осуществимостью. Подход «обратного проектирования» предполагает, что архитекторы вскоре смогут задавать желаемые эксплуатационные характеристики здания, такие как звукоизоляция, тепловые свойства и структурная реакция. Специально разработанные материалы могут точно соответствовать эксплуатационным и проектным критериям.

Оптические метаматериалы

Структуры метаматериалов, размеры которых меньше длины волны света, для которой они предназначены, исследуются и обнаруживаются новые признаки взаимодействия света и вещества. Они могут иметь первостепенное значение в различных технологиях, включая создание «плоской оптики» (например, металинз) и «маскирующих» материалов.

Что такое метаматериалы. Инновации в архитектуре и строительстве

Внедрение и применение мераматериалов

Широкое внедрение метаматериалов в архитектуре может иметь экологические и социальные последствия. Применение таких материалоов позволяет создавать адаптивные конструкции, могут сократить углеродный след строительства и продлить срок службы зданий.

Кроме того, возможность модернизации существующих конструкций с использованием компонентов из метаматериалов может способствовать сохранению объектов культурного наследия, одновременно модернизируя их в соответствии с современными стандартами безопасности и комфорта. В социальном плане улучшенная акустическая и тепловая среда может повысить уровень благополучия, особенно в городских условиях, где жители страдают от шума и экстремальных температур.

Источник информации

1 What are Metamaterials? Innovations in Architecture from Acoustic Invisibility to Seismic Protection (Что такое метаматериалы? Инновации в архитектуре: от акустической невидимости до сейсмостойкости)