ENGINEERINGNET.BE - Metamaterialen zijn gemaakt van samengestelde materialen en hebben een zeer nauwkeurig gecontroleerde structuur.
Het is deze structuur die de eigenschappen van het metamateriaal bepaalt, niet de stoffen waaruit het is samengesteld. Een metamateriaal bestaat doorgaans uit zich herhalende identieke blokken, de zogenaamde eenheidscellen.
Promovendus Shyam Veluvali van de Rijksuniversiteit Groningen en collega's hebben aangetoond hoe de grootte van de bouwstenen het gedrag van een metamateriaal, zoals elasticiteit, beïnvloedt. Ze laten ook zien dat het aantal blokken de eigenschappen van het metamateriaal kan beïnvloeden.
Ook geldt dat als er meer blokken worden toegevoegd, het gemakkelijker wordt om het structurele gedrag van een metamateriaal te voorspellen. Deze inzichten helpen om de mechanica van metamaterialen, bijvoorbeeld voor botimplantaten, met een hogere precisie te voorspellen.
Momenteel zijn botimplantaten gemaakt van een titaniumlegering die veel stijver is dan het bot zelf. Dit betekent dat bijvoorbeeld kaakimplantaten het grootste deel van de belasting van kauwen of praten op zich nemen.
Het stijve titanium vermindert daardoor de belasting op het resterende bot, met als gevolg dat het bot verzwakt doordat het zich aan deze lagere belasting aanpast.
‘Wij stellen voor om traditionele implantaten te vervangen door een alternatief metamateriaal’, zegt Veluvali.
Door de structuur van het materiaal aan te passen, is het mogelijk om de stijfheid van het implantaat af te stemmen op die van het bot. In dat geval delen het bot en het implantaat de belasting en blijft het bot sterk.
De nieuwe studie laat ook zien dat het van belang is welk type kracht op het metamateriaal wordt uitgeoefend.
Veluvali: ‘We hebben ontdekt dat verschillende soorten krachten, zoals een schuifkracht, rek, of torsie verschillende effecten kunnen hebben op hetzelfde materiaal.' Dit was nog niet bekend, omdat eerdere studies zich slechts op één enkele kracht richtten.
Al deze resultaten zijn nuttig voor het ontwerp van verschillende soorten implantaten, bijvoorbeeld orthopedische of implantaten voor de ruggengraat, en voor toepassingen zoals de grijpers van robotarmen of energie absorberende onderdelen als autobumpers.
'Onze inzichten helpen bij het ontwerpen van veiligere, duurzamere constructies voor verschillende toepassingen door de juiste blokgrootte en -indeling te kiezen.’
Partners in het onderzoek zijn het Nederlandse Universitair Medisch Centrum Groningen en de Karlstad Universiteit in Zweden.
