Ingenieurs en wetenschappers van de Universiteit van Texas in Austin en het AMOLF-instituut in Nederland hebben de eerste mechanische metamaterialen uitgevonden die beweging gemakkelijk moeiteloos in de ene richting overbrengen en in de andere blokkeren. zoals beschreven in een paper gepubliceerd op 13 februari in Natuur . Het materiaal kan worden gezien als een mechanisch eenrichtingsscherm dat de energie blokkeert om binnen te komen, maar het gemakkelijk doorgeeft aan de andere kant.

De onderzoekers ontwikkelden de eerste niet-reciproke mechanische materialen met behulp van metamaterialen, Dit zijn synthetische materialen met eigenschappen die in de natuur niet voorkomen.

Het doorbreken van de bewegingssymmetrie kan leiden tot meer controle over mechanische systemen en een grotere efficiëntie. Deze niet-wederkerige metamaterialen kunnen mogelijk worden gebruikt om nieuwe soorten mechanische apparaten te realiseren:bijvoorbeeld actuatoren (componenten van een machine die verantwoordelijk zijn voor het verplaatsen of besturen van een mechanisme) en andere apparaten die de energieabsorptie zouden kunnen verbeteren, conversie en oogsten, zachte robotica en protheses.

De doorbraak van de onderzoekers ligt in het vermogen om wederkerigheid te overwinnen, een fundamenteel principe dat veel fysieke systemen beheerst, wat ervoor zorgt dat we dezelfde reactie krijgen als we een willekeurige structuur vanuit tegengestelde richtingen duwen. Dit principe regelt hoe signalen van verschillende vormen in de ruimte reizen en verklaart waarom, als we een radio of een akoestisch signaal kunnen sturen, we kunnen het ook ontvangen. Bij mechanica, wederkerigheid houdt in dat beweging door een object symmetrisch wordt overgedragen:als we door op zijde A te drukken, zijde B met een bepaalde hoeveelheid verplaatsen, we kunnen dezelfde beweging aan zijde A verwachten als we op B drukken.

"De mechanische metamaterialen die we hebben gemaakt, bieden nieuwe elementen in het palet die materiaalwetenschappers kunnen gebruiken om mechanische structuren te ontwerpen, " zei Andrea Alu, een professor aan de Cockrell School of Engineering en co-auteur van het artikel. "Dit kan van extreem belang zijn voor toepassingen waarbij het wenselijk is om de natuurlijke symmetrie te doorbreken waarmee de verplaatsing van moleculen in de microstructuur van een materiaal reist."

Gedurende de afgelopen paar jaar, Alu, samen met Cockrell School-onderzoeker Dimitrios Sounas en andere leden van hun onderzoeksteam, hebben spannende doorbraken gemaakt op het gebied van niet-wederkerige apparaten voor elektromagnetisme en akoestiek, inclusief de realisatie van de eerste in hun soort niet-wederkerige apparaten voor geluid, radiogolven en licht. Tijdens een bezoek aan het instituut AMOLF in Nederland, begonnen ze een vruchtbare samenwerking met Corentin Coulais, een AMOLF-onderzoeker, die onlangs mechanische metamaterialen heeft ontwikkeld. Hun nauwe interactie leidde tot deze doorbraak.

De onderzoekers creëerden eerst een van rubber gemaakt, Metamateriaal op centimeterschaal met een speciaal op maat gemaakt visgraatskeletontwerp. Ze hebben het ontwerp aangepast om te voldoen aan de belangrijkste voorwaarden om wederkerigheid te doorbreken, namelijk asymmetrie en een respons die niet lineair evenredig is met de uitgeoefende kracht.

"Deze structuur gaf ons inspiratie voor het ontwerp van een tweede metamateriaal, met ongewoon sterke niet-wederkerige eigenschappen, Coulais zei. "Door de eenvoudige geometrische elementen van het visgraat-metamateriaal te vervangen door een meer ingewikkelde architectuur gemaakt van verbonden vierkanten en diamanten, we ontdekten dat we de voorwaarden voor wederkerigheid heel sterk kunnen doorbreken, en we kunnen een zeer grote niet-wederkerige respons bereiken."

De structuur van het materiaal is een raster van vierkanten en diamanten dat volledig homogeen is door het hele monster, als een gewoon materiaal. Echter, elke eenheid van het rooster is op een bepaalde manier enigszins gekanteld, en dit subtiele verschil bepaalt op dramatische wijze de manier waarop het metamateriaal reageert op externe prikkels.

"Het metamateriaal als geheel reageert asymmetrisch, met een zeer stijve kant en een zeer zachte kant, Sounas zei. "De relatie tussen de eenheidsasymmetrie en de locatie van de zachte kant kan worden voorspeld door een zeer generiek wiskundig raamwerk dat topologie wordt genoemd. Hier, wanneer de architecturale eenheden naar links leunen, de rechterkant van het metamateriaal zal erg zacht zijn, en vice versa."

Wanneer de onderzoekers een kracht uitoefenen op de zachte kant van het metamateriaal, het veroorzaakt gemakkelijk rotaties van de vierkanten en diamanten in de structuur, maar alleen in de nabije omgeving van het drukpunt, en het effect aan de andere kant is klein. Omgekeerd, wanneer ze dezelfde kracht uitoefenen op de stijve kant, de beweging plant zich voort en wordt versterkt door het materiaal, met een groot effect aan de andere kant. Als resultaat, duwen van links of van rechts resulteert in zeer verschillende reacties, wat een grote niet-wederkerigheid oplevert, zelfs voor kleine uitgeoefende krachten.

Het team kijkt ernaar uit om deze topologische mechanische metamaterialen te gebruiken voor verschillende toepassingen, ze te optimaliseren, en apparaten eruit snijden voor toepassingen in zachte robotica, protheses en energiewinning.