Tijdens zijn promotieonderzoek aan de Harvard University, AMOLF-groepsleider Bas Overvelde ontwikkelde een slimme methode voor het ontwerpen en onderzoeken van nieuwe metamaterialen. Voor dergelijke materialen bepaalt de microstructuur de functie, in plaats van de moleculaire samenstelling. Het ideale metamateriaal verandert autonoom van vorm om de gewenste functionaliteit te bereiken. Overvelde en zijn Amerikaanse collega's ontwikkelden een toolkit om dergelijke metamaterialen te ontwerpen die verschillende vormen kunnen aannemen op een manier die doet denken aan origami. Zij publiceerden hun onderzoek op 19 januari 2017 in Natuur .

In het geval van veel metamaterialen, de unieke microstructuur maakt ze bij uitstek geschikt voor één specifieke taak, bijvoorbeeld het afbuigen of geleiden van licht of geluid, of het dempen van trillingen. "Ons ideaal was om metamaterialen te ontwerpen die verschillende driedimensionale structuren kunnen aannemen en daarom aanpasbare functionaliteit hebben, " zegt Bas Overvelde, die in 2016 promoveerde onder begeleiding van professor Katia Bertoldi aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Origami-achtig

Overvelde en Bertoldi werkten samen met ontwerpers om een ​​strategie te ontwikkelen om het ontwerp van herconfigureerbare metamaterialen systematisch aan te pakken. De basisvorm in het ontwerp is een regelmatig veelvlak, waarbij op de ribben altijd vierkante of rechthoekige vlakken worden geplaatst zodat een driedimensionale structuur ontstaat die doet denken aan een gevouwen origamivorm. Overvelde:"De structuur kan aan de randen tussen twee oppervlakken vouwen. De relatie tussen de stijfheid van de oppervlakken en de vouwlijnen bepaalt het gedrag van het uiteindelijke metamateriaal en dus hoe eenvoudig het materiaal van vorm kan veranderen."

Stijfheid

De onderzoekers ontwikkelden een model waarin ze met eenvoudige wiskundige vormen een veelvoud aan verschillende structuren ontwerpen en hun mogelijke configuraties identificeren. Voor sommige metamaterialen die zijn verkregen met behulp van hun ontwerpstrategie, de onderzoekers bouwden 3D-structuren met oppervlakken van karton en vouwlijnen van dubbelzijdig plakband. Hoewel deze modelstructuren slechts bedoeld waren om het concept te illustreren, ze lieten niettemin duidelijk zien hoe deze materialen op indrukwekkende wijze van vorm kunnen veranderen.

"De kracht van ons model is dat het volledig schaalbaar is, ", zegt Overvelde. "Het maakt niet uit of het uiteindelijke materiaal metershoog is of op de schaal van nanometers. Zolang de verhouding tussen de stijfheid van de oppervlakken en de scharnieren constant blijft, de vorm - en dus de functionaliteit - verandert op dezelfde manier."

Schaalbaarheid betekent ook dat deze metamaterialen veel toepassingsmogelijkheden hebben:van programmeerbare fotonische materialen op nanometerschaal tot metershoge architectonische constructies. Overvelde:"Specialisten kunnen onze toolkit gebruiken om metamaterialen te ontwerpen voor hun specifieke discipline."

Sensoren

Na zijn doctoraatsonderzoek startte Overvelde de groep Soft Robotic Matter bij AMOLF, waar hij de vormveranderingen in metamaterialen verder onderzoekt. "Door gebruik te maken van actieve elementen en sensoren hoeven de krachten die ervoor zorgen dat een metamateriaal van vorm verandert niet extern te worden toegepast, maar worden ze intern gerealiseerd. "zegt hij. "Door kennis uit robotica en metamaterialen te combineren, kunnen we materialen ontwerpen die actief en niet-lineair reageren op de omgeving."