Onderzoekers van de afdeling Biomechanical Engineering van de Technische Universiteit Delft hebben een nieuwe klasse van metamaterialen gecreëerd die hun mechanisch gedrag dynamisch kunnen veranderen. Het kan de basis vormen voor praktische toepassingen zoals valbeschermende kleding voor ouderen. De resultaten verschijnen in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 17 juni.

Metamaterialen zijn kunstmatig vervaardigde materiaalstructuren die hun eigenschappen ontlenen aan hun interne microstructurele ontwerp, in plaats van de chemische samenstelling van het materiaal waaruit ze zijn opgebouwd. Metamaterialen kunnen worden ontworpen om uitzonderlijke eigenschappen te vertonen die niet worden gevonden in eenvoudige natuurlijke materialen. Bijvoorbeeld, terwijl van structuren die in één richting worden samengedrukt intuïtief wordt verwacht dat ze in de tegenovergestelde richting uitzetten, een klasse van metamaterialen die auxetische materialen worden genoemd, zijn doelbewust ontworpen om het tegenovergestelde te doen.

Mechanische metamateriaalfunctionaliteiten

Zo ver, mechanische metamateriaalfunctionaliteiten hebben geen tijdsafhankelijke effecten benut. Dit is verrassend, zegt dr. Shahram Janbaz, onderzoeker bij de groep Biomaterials &Tissue Biomechanics van de TU Delft en eerste auteur van het artikel, omdat veel flexibele materialen worden gebruikt om mechanische metamaterialen te construeren, zoals op polymeren gebaseerde kunststoffen, vertonen mechanisch gedrag dat afhangt van de snelheid waarmee ze worden vervormd. "Visco-elastische materialen, wanneer gespannen, ondergaan langzame veranderingen die energie dissiperen. Hun mechanische reactie, daarom, hangt af van hoe snel je ze vervormt."

Het team, onder leiding van prof. Amir Zadpoor, brengt nu de tijdsdimensie in de mechanische gereedschapskist metamateriaal, het creëren van wat zou kunnen worden beschouwd als een nieuwe klasse van metamaterialen die hun mechanisch gedrag dynamisch kunnen veranderen.

Het team construeerde hoge pilaren die uit twee verschillende materialen bestaan:de ene kant is gemaakt van een materiaal dat reageert op de snelheid van vervorming, terwijl het materiaal van de andere kant niet uitmaakt hoe snel het wordt vervormd. Bij het uitoefenen van een samendrukkende kracht langs de lengte-asrichting van deze "bi-beam, " de elasticiteit van beide materialen zorgt ervoor dat het niet breekt maar eerder doorbuigt.

Vreemde eigenschappen

De onderzoekers toonden aan dat de bi-beam voorspelbaar naar links of naar rechts knikt, afhankelijk van de snelheid van compressie. Dit reksnelheidsafhankelijke gedrag van bi-beams is de sleutel tot het creëren van nieuwe materialen met vreemde eigenschappen die nog niet eerder zijn gezien. "Het enige wat je hoeft te doen is een slimme manier te vinden om bi-beams samen te stellen en de kans is groot dat je mechanisch gedrag aantreft dat nog nooit eerder is gemeld, ' zegt Zadarm.

Janbaz legt uit:"Bijvoorbeeld, we hebben twee parallel geschakeld, gespiegelde bi-beams naar elkaar toe via stijve connectoren als een basiseenheidscel die in alle richtingen kan worden herhaald om een ​​driedimensionale metamateriaalroosterstructuur te creëren. We hebben gevonden dat, door de reksnelheid te verhogen, het mechanische gedrag van zo'n cel schakelde volledig over van auxetisch naar conventioneel." Video's bij de publicatie laten zien hoe een rooster dat bestaat uit onderling verbonden eenheidscellen krimpt bij lage compressiesnelheden en uitzet bij hoge snelheden.

Toepassingen

Een van de mogelijke toepassingen van metamaterialen die een dergelijk schakelgedrag vertonen, is bescherming tegen vallen. Zegt Zadarm, "Stel je een draagbare laag voor. Onder normale omstandigheden, het is zacht en volgt de bewegingen van het lichaam. Wanneer er een impact optreedt, het materiaal verandert van gedrag, als een schokdemper." Dit kan mensen met osteoporose helpen, waar botbreuken een belangrijke complicatie vormen.

De onderzoekers creëerden ook bi-beam-roosters die zijn geprogrammeerd om minder stijf te worden als ze sneller worden belast. Dit gedrag kan negatieve visco-elasticiteit worden genoemd en is nog niet eerder waargenomen in vaste stoffen.

Hoewel het misschien moeilijk is om veel kleinere bi-beams te maken met hetzelfde ontwerp als de hier geteste centimetermodelsystemen, de onderzoekers zien mogelijkheden om met 3D-printtechnieken rasters van minuscule bi-beams te maken.

De onderzoekers zijn enthousiast over het potentieel van hun bi-beam-ontwerp. "We verwachten dat dit basiselement kan worden gebruikt om een ​​rijke verscheidenheid aan mechanisch gedrag te creëren, ' zegt Janbaz.