ENGINEERINGNET.BE - Tijdkristallen zijn structuren die ook in de tijd een patroon herhalen.
Zo kan een externe, zich herhalende kracht ervoor zorgen dat een materiaal gaat resoneren en met een bepaalde frequentie gaat trillen.
Actieve materie zijn configuraties van wisselwerkende deeltjes die reageren op externe krachten en intern worden aangedreven door een eigen energiebron.
Een team van natuurkundigen van de universiteiten van Amsterdam, Birmingham, Lyon, Delft, Leiden en Cambridge heeft deze twee ideeën nu gecombineerd.
De vraag was of de interne energie in actieve materie voldoende zou zijn om een actief materiaal te laten fungeren als tijdkristal.
Het antwoord bleek ‘ja’: het team ontdekte een nieuwe manier waarop actieve materialen een gezamenlijke, stabiele trilling kunnen ontwikkelen, zonder dat een extern signaal het tempo aangeeft.
Ze toonden dit aan bij twee elastische structuren: een 1D ring en een 2D oppervlak.
Onderzoeker Jonas Veenstra: “Beide door ons in het lab ontworpen metamaterialen zijn voorzien van sensoren en motoren die aangrenzende delen op elkaar laten werken. De truc was om deze interactie asymmetrisch te maken: de reactie in de ene richting verschilt van die in de andere. Zodra de materialen werden aangezet, leidden ongeordende lokale trillingen al snel tot kleine, zich herhalende, golfachtige vervormingen in het metamateriaal. Vervolgens treedt een proces op dat we ‘wave coarsening’ noemen: de golven nemen geleidelijk in golflengte en amplitude toe, en bewegen tegelijkertijd steeds trager, totdat er uiteindelijk één enkele, globale vervorming in het hele materiaal ontstaat."
Mede-onderzoeker Jack Binysh ontwikkelde een fenomenologisch model dat precies hetzelfde gedrag vertoonde als in het lab werd waargenomen. Hij legt uit waarom het simpelweg creëren van een herhalend patroon niet voldoende is om een materiaal een tijdkristal te noemen.
“Cruciaal is dat de experimenten en het model aantonen dat willekeurige verstoringen de collectieve ordening niet tenietdoen als de omvang van het materiaal toeneemt; het herhalende patroon blijft stabiel. Juist deze robuuste ordening maakt van de uiteindelijke toestand een tijdkristal."
Het team werkt inmiddels ook aan de ontwikkeling van 3D actieve materialen. Zulke materialen bieden de bouwstenen meer interactiemogelijkheden: verschuiving, buiging en torsie kunnen allemaal optreden en elkaar beïnvloeden, wat kan leiden tot een veel gevarieerder bewegingspatroon.
Doel is om inzicht te krijgen in de werking van ‘wave coarsening’ in drie dimensies, en dit mechanisme te benutten om de vormveranderingen van een zelfdragend materiaal aan te sturen.
Veenstra: “Ons uiteindelijke doel is een op de biologie geïnspireerde vorm van robotica, waarbij gecoördineerd gedrag voortkomt uit zorgvuldig ontworpen interacties tussen bouwstenen, in plaats van uit instructies die van een centrale aansturing komen.”
