Opvouwbare hondenkommen, buigbare medische buizen en rietjes lijken allemaal te werken volgens een gemeenschappelijk principe, snappen in een verscheidenheid van mechanisch stabiele en bruikbare toestanden. Ondanks de vele toepassingen voor dergelijke "designer matter"-structuren, echter, de fundamentele mechanismen van hoe ze werken zijn tot nu toe mysterieus gebleven, zeggen materiaalwetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst onder leiding van Ryan Hayward.

Nu hij en collega's, waaronder eerste auteur en Hayward's voormalige doctoraatsstudent Nakul Bende en hun UMass Amherst collega theoretisch fysicus Christian Santangelo, met monteur James Hanna en studenten van Virginia Tech, melden dat ze hebben ontdekt hoe deze "multistabiele" constructies, bestaande uit gestapelde conische secties, worden belast met voorspanning, opgehoopte spanning die ontstaat "omdat het materiaal in een gesloten ring wordt gedwongen die strakker gebogen is dan het van nature wil, " zoals Hayward uitlegt.

"Wat we ontdekten, is dat de zeer nuttige eigenschap om mechanisch stabiel te zijn in een gebogen configuratie voorspanning lijkt te vereisen. Voor zover we weten, niemand had ooit gekeken hoe en waarom dergelijke structuren in gebogen toestand stabiel zijn, " hij voegt toe.

Hij maakt duidelijk, "Het zal ons helpen dit fundamentele principe te begrijpen, wat essentieel is bij het ontwerpen van nieuwe toepassingen. Als je een herconfigureerbaar apparaat gaat bouwen, het is belangrijk om te weten waarom het werkt, en wanneer het zou kunnen mislukken." Details verschijnen in de huidige online uitgave van Zachte materie .

Hayward zegt dat de mechanica die het vermogen van gegolfde buizen om in lengte te verlengen en samen te trekken, "vrij goed ingeburgerd is, " net als het idee dat het verplaatsen van materialen tussen mechanisch stabiele toestanden het overwinnen van een energiebarrière vereist. Spelen met een verscheidenheid aan kleurrijke buigbare buizen op zijn bureau, hij laat zien dat de buis in beide toestanden zijn vorm behoudt, en dat een energiebarrière wordt overschreden wanneer het in en uit elk springt.

"Het mysterie is waarom deze buis met gestapelde kegels stabiel zou moeten zijn in gebogen toestand, " merkt hij op. "Er is geen duidelijke reden waarom een ​​buigzaam rietje stabiel zou willen zijn als het gebogen is."

Om hiermee te experimenteren, hij en collega's sneden een buis in de lengte door om te zien wat er zou gebeuren. Door de buis door te snijden, hij zegt, "We kwamen erachter dat de buis zich zou openen en plat zou worden, wat een bijzonder moment was. Het was iets dat we moesten teruggaan en proberen te begrijpen. Dat was de sleutel tot het ontdekken van de rol van pre-stress. We ontdekten dat als je de kromming ontspant, het gebrek aan opgeslagen energie elimineert stabiliteit in de gebogen toestand. We hebben ook enkele buizen gebouwd die we met een kleinere straal hebben gesloten, voorspanning introduceren, en ontdekte dat dit het vermogen om een ​​gebogen vorm vast te houden herstelde."

Ze analyseerden dit "pre-stress"-effect door middel van krommingsanalyse tijdens vervorming met behulp van röntgencomputertomografie en met een eenvoudig mechanisch model dat het kwalitatieve gedrag van de zeer herconfigureerbare systemen vastlegde.

De auteurs wijzen erop dat "er veel biologische mechanismen zijn ontdekt die gebruik maken van doorklik-overgangen tussen mechanisch stabiele toestanden van slanke elastische structuren om snelle beweging te bereiken. Hoewel veel van de literatuur zich heeft gericht op bistabiliteit, systemen die meerdere stabiele toestanden ondersteunen, zijn aantrekkelijk voor het ontwerpen van zeer herconfigureerbare structuren, " zoals degene waarover ze rapporteren.