In de niet al te verre toekomst, het is misschien mogelijk om vrijwel alles in 3D te printen. Denk aan standaardprinters, die duizenden kleuren "synthetiseren" door slechts drie kleurencartridges te gebruiken. Naar analogie, toekomstige 3D-printers kunnen mogelijk duizenden verschillende materiaaleigenschappen synthetiseren met slechts een handvol materiaalcartridges.

Dit concept inspireerde een groep onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek om de ontwikkeling van een mechanische eigenschap die effectieve statische samendrukbaarheid wordt genoemd, te onderzoeken. Zoals ze nu rapporteren in Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing, door een enkele cartridge te gebruiken, is het mogelijk om een ​​metamateriaal te printen dat onder hydrostatische druk in omvang uitzet, ook al is het gemaakt van materiaal dat normaal gesproken krimpt onder hydrostatische druk. In principe, er is geen limiet aan de negatieve waarde die de effectieve samendrukbaarheid van dit materiaal kan aannemen.

"[O] onze poro-elastische driedimensionale metamateriaal, een door de mens gemaakt composietmateriaal dat eigenschappen vertoont die niet voorkomen in natuurlijke materialen, zet effectief uit bij het verhogen van de hydrostatische druk van een omringend gas of vloeistof, " zei Jingyuan Qu, een promovendus en onderzoeker bij KIT's Institute of Applied Physics en Institute of Nanotechnology. "Voor de meeste materialen het gedrag is precies het tegenovergestelde. Op het eerste gezicht, een negatieve samendrukbaarheid lijkt zelfs fundamentele natuurwetten te schenden."

De kern van het ontwerp van de groep voor de metamateriaalstructuur is een holte, 3-D kruisstructuur met cirkelvormige membranen aan elk uiteinde van het kruis.

"Vergelijkbaar met een trommel, deze membranen zullen naar binnen kromtrekken als de buitendruk groter is dan de druk in het ingesloten volume in het kruis, " Qu zei. "Door deze membranen goed met elkaar te verbinden via staven, en door acht van dergelijke driedimensionale kruisen in één eenheidscel te gebruiken, het is mogelijk om een ​​isotrope effectieve volumetoename te verkrijgen bij het verhogen van de druk - een negatieve effectieve samendrukbaarheid."

Dit is bijzonder intrigerend werk, Qu wees erop, omdat een negatieve samendrukbaarheid onder statische en onbeperkte omstandigheden over het algemeen door de wetten van de fysica verboden is.

"Het is onstabiel en schendt energiebesparing, " Qu zei. "De truc van onze structuur is dat het volume dat je kunt zien toeneemt bij het verhogen van de omringende druk, terwijl het volume dat wordt omsloten door het 3D-geprinte materiaal - een hoeveelheid die je niet direct waarneemt - afneemt en de structuur zowel stabiel als fysiek maakt."

Een van de speciale eigenschappen van de metamateriaalstructuur is een nul-negatieve effectieve samendrukbaarheid, volgens Qu. "Dit betekent dat het effectieve volume van het metamateriaal gewoon niet zal veranderen, " hij zei.

Met het succes van de uitgebreide modellering van de structuur, de groep is al begonnen met de veeleisende taak om zijn fabricage te demonstreren.

"We hebben het gedrag van het materiaal berekend met behulp van [technische simulatiesoftware], dus het materiaal moet nog worden gefabriceerd en experimenteel gemeten, Qu zei. "Fabricatie is een veeleisende case voor 3D-laser-nanoprinten omdat de noodzakelijke verborgen binnenvolumes niet eerder zijn bereikt."

Het maken van een dergelijk metamateriaal zou waarschijnlijk niet mogelijk zijn met conventionele bewerkingstechnieken die de neiging hebben om materiaal te verwijderen om een ​​structuur te bouwen. Met een additieve techniek zoals 3D-printen, echter, het fabriceren van verborgen structuren en ingesloten volumes wordt mogelijk waardoor dit een ideale manier is om metamaterialen met negatieve samendrukbaarheid te creëren.