Verbuigen op afroep: selectief verbuigen in een nieuw metamateriaal
Onderzoekers van de Universiteit Leiden en FOM hebben een nieuw metamateriaal ontworpen dat op afroep verbuigt. Kleine structurele variaties in het materiaal geven gebieden die onder spanning selectief verbuigen, terwijl andere gebieden onveranderd blijven. Het onderzoek is gepubliceerd in de deze week verschenen Early Edition of the Proceedings of the National Academy of Sciences.
Metamaterialen zijn veelbelovend, omdat ze de mogelijkheid bieden om kunstmatige structuren te ontwikkelen met ongebruikelijke eigenschappen die moeilijk te vinden zijn in de natuur. Hun ongebruikelijke eigenschappen kunnen aangebracht worden door het juiste ontwerp van hun geometrie of topologie. De Leidse onderzoekers hebben met 3D-printen een werkend prototype gemaakt van een nieuw metamateriaal dat selectief en gecontroleerd kan verbuigen. Dit onderzoek werd gefinancierd door FOM en het Delta Institute for Theoretical Physics.
Het onderzoek is uitgevoerd in het Topological Mechanics Lab (Leiden), onder leiding van FOM werkgroepleider Vincenzo Vitelli. Het lab is volledig ingericht om de mechanische analogieën te bestuderen van zogeheten topologische isolatoren, een recent ontdekte exotische kwantumtoestand van materie. Wanneer de topologische ideeën die ten grondslag liggen aan deze exotische toestanden op macroscopische structuren worden toegepast, ontstaan hierdoor materialen met ongebruikelijke mechanische eigenschappen.
"Het ontwerp begint met een algemeen idee, een fysische 'ingeving' die op deze analogie gebaseerd is", legt co-auteur Jayson Paulose uit. "De grootste kracht van het gebruik van deze topologische ideeën in het ontwerp van metamaterialen, is dat een topologisch materiaal gegarandeerd interessant gedrag laat zien aan de randen."
De volgende stap is het voorspellen hoe de mechanische analogie, met het opgelegde topologische ontwerp, zal reageren. De ultieme toets is het bouwen van het materiaal en onderzoeken wat er gebeurt bij verschillende soorten externe belasting. Dat resulteerde in een flexibel plastic prototype dat het plaatselijke verbuigen liet zien waar de onderzoekers naar op zoek waren. Jayson Paulose: "We verwachtten dat er een aantal pogingen nodig zouden zijn voordat het ontwerp zou werken. Maar de eerste lading die we terug kregen van het 3D-printbedrijf deed meteen wat het moest doen."
Er zijn veel mogelijke toepassingen te bedenken binnen engineering en de medische sector voor selectief verbuigende materialen. Het buiggedrag kan afgesteld worden zonder dat hierbij andere fysische eigenschappen, zoals elektromagnetische- of warmtegeleiding, beïnvloed worden. Een voorbeeld is toepassing in materialen met vormgeheugen waarin vormveranderingen meestal optreden als de temperatuur verandert. De gebieden in zulke materialen die selectief verbuigen zouden een drastisch andere vormverandering laten zien dan de rest van de structuur, zonder de warmtestroming te beïnvloeden. Hiermee krijgen ingenieurs een nieuwe mogelijkheid om het gedrag van dergelijke voorwerpen te bepalen.