Geïnspireerd door het plezier van het spelen met Lego, een internationaal team van onderzoekers van de Tianjin University of Technology en de Harvard University hebben het idee gebruikt om bouwstenen te assembleren om de belofte van materialen van de volgende generatie in de praktijk te brengen.

Online publiceren in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences maart, 20, Nan Yang van het Laboratory for the Design and Intelligent Control of Advanced Mechatronical Systems en Jesse Silverberg van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering hebben een belangrijk knelpunt weggenomen dat de vertaling van wetenschappelijke vooruitgang naar commerciële toepassingen vertraagt.

Silverberg beschreef het als volgt:"Metamaterialen zorgen voor een revolutie in de materiaalwetenschap. De huidige benadering van het bouwen van alledaagse dingen blijkt beperkt te zijn omdat de materialen waarmee we werken een relatief beperkt aantal eigenschappen en mogelijkheden hebben."

Metamaterialen gaan verder dan wat in de natuur wordt gevonden door eenvoudige elementen samen te voegen tot herhalende patronen. Op grote schaal, deze kleinere componenten beïnvloeden de grotere constructie op ongebruikelijke manieren. Yang merkte op:"De verscheidenheid aan toepassingen groeit. Vandaag zien we mechanische metamaterialen die worden gebruikt om de stroom van trillingsgolven zoals aardbevingen vorm te geven om gebouwen te beschermen. Morgen, wie weet wat het volgende zal zijn."

De onderzoekers, echter, waren bezorgd dat deze ontdekkingen niet snel genoeg van het laboratorium naar de markt zijn gegaan. Een uitdaging die ze opmerkten, was de tijd en de moeilijkheid om te ontwerpen voor toepassingen in de echte wereld.

Een paar jaar geleden, origami - de kunst van het vouwen van papier - stond bekend om zijn vermogen om platte vellen snel om te zetten in 3D-patronen met ongebruikelijke metamateriaaleigenschappen. "Hoewel gemakkelijk op te vouwen, de tijd die nodig is om goede ontwerpen te vinden voor praktische problemen is vaak te duur, "zei Silverberg. "Stel dat je een mechanisch metamateriaal wilt om de impact tijdens een auto-ongeluk te absorberen. Wat is daar het beste ontwerp voor? En zelfs als je een goed vouwpatroon vindt, past het zelfs bij het chassis van de auto?"

Zowel Yang als Silverberg hebben jonge kinderen. Ze beschreven hun 'ah-ha'-moment als volgt:"We waren op een avond laat aan het werk via Skype en we realiseerden ons dat de oplossing letterlijk voor ons op de grond lag. Wat als we metamaterialen zouden kunnen bouwen zoals onze kinderen bouwen met Lego?"

Dit inzicht bracht de onderzoekers ertoe een standaard set bouwstenen te ontwerpen. "We zijn begonnen met het ontwerpen van een basiseenheid, een beetje zoals de klassieke 2-bij-4 Legosteen, maar in plaats van ze in verschillende kleuren te maken, we gaven ze verschillende mechanische eigenschappen. Een stijve, een zachte, enzovoort, " zei Silverberg. Eenmaal ontworpen, het team was in staat om grotere en meer uitgebreide constructies te maken op dezelfde manier als hun kinderen veelkleurige schepen en robots maakten.

Als voorbeelden, de onderzoekers lieten zien hoe je twee verschillende soorten mechanische 'cloaking-materialen' in elkaar kunt zetten. Ze gaven ook voorbeelden van hoe een vooraf bepaalde set eigenschappen kan worden omgezet in willekeurige 3D-structuren, een zeer ongrijpbare uitdaging sinds het begin van metamateriaalonderzoek.

Yang ging verder, "Nu we een basisstrategie hebben, we werken het ontwerp uit voor nog meer 'stenen' en methoden om ze snel in elkaar te zetten." voegde Silverberg eraan toe, "Vooruit kijken, we voorzien tools waarmee iedereen met een computer gemakkelijk complexe metamaterialen kan ontwerpen."