ENGINEERINGNET.BE -Veel materialen worden van binnenuit aangedreven, zoals weefsels die bestaan uit bewegende cellen of metamaterialen met ingebouwde motoren.
Een belangrijk verschil tussen actieve en gewone materialen zit in de manier waarop ze vervormen. Als je op een gewoon materiaal duwt, vervormt het op de plek waar de kracht wordt uitgeoefend.
Actieve materialen kunnen daarentegen extra krachten genereren die vervormingen een andere richting op sturen, wat leidt tot allerlei onverwacht, maar vaak erg nuttig gedrag.
Bij biologische experimenten is onder meer waargenomen dat zeesterembryo's zich op een wateroppervlak spontaan organiseerden tot kristalachtige structuren.
Het wateroppervlak in de gebruikte reageerbuizen was licht omhoog gebogen op de plek waar het water het glas raakt.
Een gevolg van deze kromming is dat zeesterembryo's niet in een volledig regelmatig patroon op het oppervlak passen, maar met hier en daar onregelmatigheden of defecten.
Daardoor stelde een groep onderzoekers zich de vraag: hoe bepaalt kromming het gedrag van actieve materialen in het algemeen?
Om deze vraag te beantwoorden bracht het team, aangestuurd vanuit de Universiteit van Amsterdam, expertise op het gebied van theorie en experimenten samen.
Partners in het onderzoek zijn het Duitse Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems, de Poolse TU van Wrocław en het MIT in de VS. Gezamenlijk ontwikkelde het team een raamwerk om de vraag te beantwoorden.
Onderzoeker Yuan Zhou: ‘We laten zien dat kromming meer doet dan alleen het materiaal buigen. De kromming bepaalt waar energie wordt ingebracht, creëert nieuwe gelokaliseerde trillingen rond de onvermijdelijke defecten en zorgt ervoor dat randen gemakkelijker gaan trillen dan het binnenste. Latere computersimulaties bevestigden de voorspellingen van onze theorie.’
Corentin Coulais, hoofdonderzoeker van de groep: ‘Dit werk suggereert dat geometrie kan dienen als ontwerpparameter voor actieve materialen met een praktische toepassing. Door een oppervlak zorgvuldig vorm te geven, is het wellicht mogelijk om te sturen waar mechanische activiteit, trillingen en energie zich concentreren.’
De onderzoekers hopen dat hun raamwerk nieuwe experimenten zal inspireren en uiteindelijk leidt tot materialen waarvan de functie door de samenstelling én de vorm wordt bepaald.
Op de afbeelding boven: Links: Zeesterembryo's vormen van nature een zeshoekig patroon, maar op het gekromde wateroppervlak in een reageerbuis (van bovenaf gezien) vertoont het patroon enkele onregelmatigheden of 'defecten'. Rechts: in computersimulaties worden de defecten – plekken waar vijf in plaats van zes zeshoeken samenkomen – duidelijk zichtbaar.
