Пентамоды представляют собой особый класс механических метаматериалов, обладающих уникальной комбинацией свойств: они демонстрируют крайне низкую сопротивляемость сдвиговым деформациям, сохраняя при этом значительное сопротивление объёмным изменениям. Теоретически пентамодные материалы можно рассматривать как аналоги «идеальной жидкости», поскольку в них возможна передача давления без заметных сдвиговых напряжений.
С математической точки зрения пентамоды характеризуются тем, что их тензор упругости имеет только одну ненулевую собственную величину, тогда как остальные пять близки к нулю (отсюда название — penta). Таким образом, они занимают промежуточное положение между твёрдыми телами и жидкостями, что открывает возможность для управления упругими волнами в средах с заранее заданными свойствами.
Первая концепция пентамодов была предложена Милтоном и Черкачем в 1995 году. Они показали, что для создания идеального пентамода необходимо спроектировать структуру с высокой изотропностью сопротивления объёмной деформации и минимальным сопротивлением сдвиговым напряжениям. Основой служит решётчатая структура из узких стержней, соединённых в пространственные ячейки, напоминающие каркас кристаллической решётки.
В идеальной модели модуль сдвига равен нулю, а модуль объёмного сжатия остаётся конечным. Это делает пентамоды особенно перспективными в задачах, где требуется управляемое распространение волн, в частности в акустических метаматериалах и устройствах маскировки.
Практическая реализация пентамодов стала возможной с развитием технологий трёхмерной микропечати и лазерной литографии. Исследователи из Карлсруэ (Германия) продемонстрировали создание микроскопических решётчатых структур, близких по свойствам к пентамодам. В их конструкции использовались тонкие конусообразные стержни, соединяющиеся вершинами, что обеспечивало минимизацию сопротивления сдвиговым деформациям.
Ключевая трудность заключается в точности изготовления: чем тоньше соединения, тем ближе материал по свойствам к идеальному пентамоду, но тем сложнее обеспечить механическую стабильность и долговечность.
Одним из наиболее перспективных применений пентамодов является акустическая маскировка. Используя их способность управлять скоростью распространения продольных упругих волн, можно создавать устройства, перенаправляющие звук вокруг объекта, делая его «невидимым» для акустического сканирования. Это аналогично принципу оптических метаматериалов-«плащей невидимости», но реализованному в акустической области.
Благодаря высокой настраиваемости свойств, пентамоды могут моделировать среды с переменным коэффициентом преломления упругих волн. Это открывает возможность создания акустических линз, фокусирующих звук с высоким разрешением, а также волноводов с минимальными потерями энергии.
Материалы, приближающиеся к пентамодам, демонстрируют ряд экстремальных характеристик:
Эти особенности делают их ценными для применения в виброизоляции, сейсмозащите и проектировании материалов с заданными резонансными свойствами.
Несмотря на теоретическую привлекательность, внедрение пентамодов в практику связано с рядом вызовов:
Тем не менее, прогресс в аддитивных технологиях и нанофабрикации позволяет постепенно приближаться к созданию практических образцов. В перспективе пентамодные материалы могут найти применение в медицинской визуализации (например, для повышения контрастности ультразвука), в оборонных технологиях (акустическая маскировка подводных объектов), а также в архитектурной акустике для управления звуковыми полями.