In recente jaren, de populariteit van metamaterialen is aanzienlijk toegenomen. Deze materialen worden niet in de natuur gevonden of gemaakt met behulp van chemische reacties, maar zijn geometrisch ontworpen in het natuurkundig laboratorium. Metamaterialen kunnen speciaal worden gegeven, vaak contra-intuïtief, eigendommen. Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben nu een gereedschapskist ontwikkeld om materialen te maken die meerdere van dergelijke eigenschappen tegelijk hebben. Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences deze week.

Het onderzoek dat leidde tot de nieuwe materialen is uitgevoerd door natuurkundigen Aleksi Bossart, David Dijkstra, Jop van der Laan en Corentin Coulais van de Universiteit van Amsterdam. Met behulp van de gereedschapskist, ze creëerden een materiaal dat zijn gedrag verandert als het snel of langzaam wordt gecomprimeerd. Nieuwe materialen zoals deze kunnen erg handig zijn voor schokdempers in auto's, voor bouwmaterialen die bestand zijn tegen aardbevingen of stromingsregelende drukkleppen.

Designer materialen

Metamaterialen zijn geconstrueerde materialen met buitengewone eigenschappen. Deze eigenschappen komen voort uit hun geometrische structuur in plaats van hun chemische samenstelling. De complexiteit van metamaterialen ligt in hun ontwerp, niet in hoe ze zijn geconstrueerd:zodra de juiste geometrie bekend is, een 3D-printer is vaak voldoende om het materiaal te maken. De afgelopen jaren is natuurkundigen zijn steeds vaardiger geworden in het ontwerpen van metamaterialen met interessante eigenschappen. Bijvoorbeeld, materialen kunnen nu worden ontworpen om zeer licht en zeer stijf te zijn, of om vreemd mechanisch gedrag te vertonen - ze kunnen zijwaarts krimpen wanneer ze worden samengedrukt, terwijl gewone materialen uitzetten, of ze kunnen zich zelfs gedragen als programmeerbare vormwisselaars.

Hoewel niet altijd gemakkelijk uit te voeren, het idee lijkt dan ook simpel:als je een materiaal nodig hebt met een specifieke eigenschap, zoek een slimme natuurkundige om het voor je te ontwerpen. Maar wat als u een materiaal nodig heeft dat twee bijzondere eigenschappen heeft? En wat als, afhankelijk van de omstandigheden, wilt u kunnen schakelen tussen de twee eigenschappen?

Twee functionaliteiten

Dit is precies het soort vraag dat men tegenkomt wanneer, bijvoorbeeld, op zoek naar materialen die aardbevingen kunnen weerstaan. Zo'n materiaal zou heel anders moeten reageren op de kleine trillingen die in het dagelijkse leven van een gebouw aanwezig zijn dan bij een schok door een aardbeving. Met dergelijke toepassingen in het achterhoofd, Bosart, Dijkstra, Van der Laan en Coulais wilden materialen ontwerpen die niet één maar meerdere functionaliteiten hebben binnen één structuur.

Vooral, ze zijn erin geslaagd om metamaterialen te maken die aan de zijkant kunnen krimpen of uitzetten wanneer ze worden samengedrukt, afhankelijk van hoe snel de samendrukkende kracht wordt uitgeoefend. Een voorbeeld van zo'n materiaal wordt getoond in de afbeelding hierboven:de sleutel tot de functionaliteiten van het materiaal zit in het patroon van de gaten. Wanneer er druk wordt uitgeoefend, de gaten vervormen gezamenlijk, maar dit collectieve gedrag is anders wanneer de druk langzaam wordt uitgeoefend dan wanneer deze snel wordt uitgeoefend.

Nieuwe metamaterialen zoals deze kunnen heel interessant zijn voor allerlei industriële toepassingen. Een toepassing zou zijn in aardbevingsbestendige bouwmaterialen, maar de metamaterialen kunnen ook leiden tot andere toepassingen voor energieabsorptie - denk aan schokdempers in auto's - of tot nieuwe aanpasbare apparaten in robotica, waaronder stromingsregulerende drukkleppen.