Catastrofale ineenstorting van materialen en constructies is het onvermijdelijke gevolg van een kettingreactie van plaatselijk beperkte schade - van massief keramiek dat breekt na de ontwikkeling van een kleine scheur tot metalen ruimtespanten die bezwijken na het kromtrekken van een enkele stut.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in Geavanceerde materialen , ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Irvine en het Georgia Institute of Technology beschrijven de creatie van een nieuwe klasse van mechanische metamaterialen die vervormingen delokaliseren om falen te voorkomen. Ze deden dit door zich te wenden tot tensegrity, een eeuwenoud ontwerpprincipe waarbij geïsoleerde stijve staven zijn geïntegreerd in een flexibel gaas van tuiers om zeer lichtgewicht te produceren, zelfspannende truss-constructies.

Beginnend met leden met een diameter van 950 nanometer, het team gebruikte een geavanceerde directe laserschrijftechniek om elementaire cellen te genereren met een grootte tussen 10 en 20 micron. Deze werden opgebouwd tot acht-eenheid supercellen die met andere konden worden geassembleerd om een ​​doorlopende structuur te maken. De onderzoekers voerden vervolgens computationele modellering en laboratoriumexperimenten uit en merkten op dat de constructies een uniek homogeen vervormingsgedrag vertoonden, vrij van plaatselijke overbelasting of ondergebruik.

Het team toonde aan dat de nieuwe metamaterialen een 25-voudige verbetering in vervormbaarheid en een orde van grootte toename in energieabsorptie vertonen ten opzichte van de modernste roosterarrangementen.

"Tensegrity-structuren worden al tientallen jaren bestudeerd, met name in de context van architectonisch ontwerp, en ze zijn recentelijk gevonden in een aantal biologische systemen, " zei senior co-auteur Lorenzo Valdevit, een UCI-professor materiaalkunde en techniek die de Architected Materials Group leidt. "De juiste periodieke tensegrity-roosters werden slechts een paar jaar geleden theoretisch geconceptualiseerd door onze co-auteur Julian Rimoli van Georgia Tech, maar door dit project hebben we de eerste fysieke implementatie en prestatiedemonstratie van deze metamaterialen bereikt."

Bij het ontwikkelen van structurele configuraties voor planetaire landers, het Georgia Tech-team ontdekte dat op tensegrity gebaseerde voertuigen bestand zijn tegen ernstige vervorming, of knikken, van zijn afzonderlijke componenten zonder in te storten, iets dat nooit in andere structuren is waargenomen.

"Dit bracht ons op het idee om metamaterialen te maken die hetzelfde principe gebruiken, wat ons leidde tot de ontdekking van het allereerste 3D tensegrity-metamateriaal, " legde Rimoli uit, hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek aan Georgia Tech.

Mogelijk gemaakt door nieuwe additieve productietechnieken, extreem lichtgewicht maar toch sterke en stijve conventionele constructies op basis van trussen en roosters op micrometerschaal zijn van groot belang geweest voor ingenieurs vanwege hun potentieel om zwaardere, vaste stoffen in vliegtuigen, windturbinebladen en tal van andere toepassingen. Hoewel hij veel wenselijke eigenschappen bezit, deze geavanceerde materialen kunnen - zoals elke dragende constructie - nog steeds vatbaar zijn voor catastrofale vernietiging als ze overbelast worden.

"In bekende materialen met nano-architectuur, falen begint meestal met een zeer lokale vervorming, " zei eerste auteur Jens Bauer, een UCI-onderzoeker in mechanische en ruimtevaarttechniek. "Scheerbanden, oppervlakte scheuren, en knikken van muren en stutten in één gebied kan een kettingreactie veroorzaken die leidt tot de ineenstorting van een hele constructie."

Hij legde uit dat truss-roosters beginnen in te storten wanneer samendrukkende leden knikken, omdat degenen die gespannen zijn dat niet kunnen. Typisch, deze delen zijn op gemeenschappelijke knooppunten met elkaar verbonden, wat betekent dat als iemand eenmaal faalt, schade kan zich snel door de hele constructie verspreiden.

In tegenstelling tot, de compressieve leden van tensegrity-architecturen vormen gesloten lussen, geïsoleerd van elkaar en alleen verbonden door trekelementen. Daarom, instabiliteit van drukelementen kan zich alleen voortplanten via trekbelastingspaden, die - op voorwaarde dat ze niet scheuren - geen instabiliteit kunnen ervaren. Duw een tensegrity-systeem naar beneden en de hele structuur wordt gelijkmatig samengedrukt, het voorkomen van plaatselijke schade die anders een catastrofale storing zou veroorzaken.

Volgens Valdevit, die ook professor mechanica en ruimtevaarttechniek is aan de UCI, tensegrity metamaterialen demonstreren een ongekende combinatie van faalweerstand, extreme energieabsorptie, vervormbaarheid en sterkte, beter presteren dan alle andere soorten ultramoderne lichtgewicht architecturen.

"Deze studie biedt een belangrijke basis voor het ontwerp van superieure technische systemen, van herbruikbare aanrijbeveiligingssystemen tot adaptieve draagconstructies, " hij zei.