Ontwikkeling metamaterialen met meerdere bijzondere eigenschappen

Natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam maakten een metamateriaal dat kan krimpen of uitzetten, als het snel of juist langzaam samengeperst wordt.

Trefwoorden: #3D-printer, #aardbevingbestendig, #energie-absorberend, #metamateriaal, #robotica, #toolbox, #UvA

Lees verder

research

( Foto: UvA )

ENGINEERINGNET.BE - Metamaterialen hebben bijzondere eigenschappen die niet ontstaan door hun chemische samenstelling, maar door hun bijzondere meetkundige structuur.

De lastigste stap in het maken van een metamateriaal is het ontwerp, niet het ‘bouwen’ ervan: als de juiste geometrie eenmaal bekend is, volstaat een 3D-printer om het materiaal te maken.

In de afgelopen jaren zijn natuurkundigen steeds vaardiger geworden in het ontwerpen van metamaterialen met bijzondere eigenschappen. Zo is het tegenwoordig mogelijk om materialen te ontwerpen die heel licht en toch heel stevig zijn, of die apart mechanisch gedrag vertonen.

Ze kunnen bijvoorbeeld in loodrechte richting krimpen in plaats van uitzetten als ze samengeperst worden, of zich gedragen als programmeerbare vorm-veranderaars.

Maar wat nu als je een materiaal nodig hebt dat twee bijzondere eigenschappen heeft? En wat als je zelfs, afhankelijk van de omstandigheden, tussen die twee eigenschappen wilt kunnen wisselen?

Dit is precies het soort vraag dat men bijvoorbeeld tegenkomt in de zoektocht naar materialen die aardbevingen weerstaan. Zo’n materiaal moet heel anders reageren op de kleine trillingen die een gebouw dagelijks ervaart dan op de schokken die een aardbeving veroorzaakt.

Met toepassingen zoals deze in gedachten besloten natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam daarom materialen te ontwerpen die binnen één structuur meerdere functionaliteiten herbergen.

Ze slaagden er in om metamaterialen te maken die, als ze worden samengeperst, kunnen krimpen of kunnen uitzetten, afhankelijk van hoe snel de samenpersende kracht wordt uitgeoefend.

De sleutel tot de functionaliteiten van het materiaal ligt in het bijzondere patroon van gaten. Als er druk wordt uitgeoefend vervormen de gaten collectief, maar het precieze collectieve gedrag is anders wanneer de druk langzaam wordt uitgeoefend dan wanneer dit snel gebeurt.

Dergelijke nieuwe metamaterialen kunnen interessant zijn voor allerlei industriële toepassingen. Bijvoorbeeld in het maken van aardbeving-bestendige materialen of energie-absorberende toepassingen – denk aan schokdempers in auto’s – of in de robotica, zoals stroom-regulerende drukventielen.


Op de foto: Het metamateriaal links biedt verschillende functionaliteiten door op verschillende manieren te vervormen. Door het langzaam (rechts onder) of juist snel (rechts boven) samen te persen, kan bepaald worden of het metamateriaal krimpt of juist uitzet.