Mechanische metamaterialen, die ongebruikelijke eigenschappen vertonen, zoals vormverandering en programmeerbaarheid, bleken nog meer verrassende kenmerken te vertonen. Wanneer de materialen een stap groter zijn, nieuwe regels lijken te gelden. Dat ontdekten onderzoekers van AMOLF, Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam. Hun bevindingen worden gepubliceerd in Natuurfysica op 25 sept.

"In standaardmaterialen zoals een rubberen band, we begrijpen wat er gebeurt als je meer materiaal toevoegt, " zegt eerste auteur Corentin Coulais. "Als je het elastiekje twee keer zo lang maakt, dan is het twee keer zo makkelijk uit te rekken. Dat is basismechanica. Maar mechanische metamaterialen zijn anders. Het tegenovergestelde kan gebeuren. Bijvoorbeeld, we ontdekten dat een lang metamateriaal eigenlijk stijver kan zijn dan een korte."

Tot nu, het onderzoek naar metamaterialen was gericht op relatief kleine systemen waarin aspecten als programmeerbaarheid goed te onderzoeken zijn. "Echter, we vermoedden dat in grotere systemen verschillende effecten zouden optreden, ', zegt Coulais. 'Dat hebben we nu uitgebreid bestudeerd.'

Als postdoc in de groep voor Mechanische Metamaterialen van Martin van Hecke, Coulais onderzocht samen met de Leidse masterstudent Chris Kettenis een relatief eenvoudige strook metamateriaal. Dit eendimensionale metamateriaal, opgebouwd uit stijve elementen die licht ten opzichte van elkaar kunnen draaien, werd onverwacht stijver toen de lengte werd verdubbeld. Het opvallende schaaleffect trad ook op bij de meer complexe twee- en driedimensionale metamaterialen.

Het team ontdekte ook dat er ook een karakteristieke lengteschaal was die de overgang van klein naar groot markeerde. Coulais zegt, "We zien dat boven deze schaal, de speciale functionaliteit van de metamaterialen verslijt, bij wijze van spreken. De speciale effecten van de geometrische structuur worden verspreid."

Coulais benadrukt dat alleen het ontwerp van het metamateriaal verantwoordelijk is voor de karakteristieke lengteschaal. Nemen, bijvoorbeeld, de invloed van de flexibiliteit van de draaipunten tussen vierkanten. De intrinsieke eigenschappen van het rubber waaruit het metamateriaal is gemaakt, zijn niet relevant. "Dit is echt een nieuw natuurkundig fenomeen dat we nu ook in computersimulaties hebben kunnen reproduceren."

Het is duidelijk dat ontwerpers van metamaterialen rekening moeten houden met de karakteristieke lengteschaal. Echter, dit beperkt de mogelijkheden niet, zegt Coulais. "Integendeel, de nieuwe natuurkunde die we nu beschrijven in Natuurfysica introduceert eigenlijk een heel nieuw scala aan mogelijkheden."

Een ander gevolg van de schaaleffecten kwam ook aan het licht. Als het materiaal groter is, een kleine verschuiving in de positie van het drukpunt zal aanleiding geven tot een geheel andere respons van het materiaal. Dit opent mogelijkheden om materialen te ontwerpen waarin verschillende soorten gedrag zijn verwerkt. Een voorbeeld is een materiaal dat zowel flexibel als stijf kan zijn, afhankelijk van hoe het wordt ingesnoerd. Coulais is nu werkzaam bij het Institute of Physics van de Universiteit van Amsterdam (UvA), waar hij zijn pionierswerk voortzet met zijn eigen onderzoeksgroep. "Er valt nog veel te ontdekken over deze ongewone materialen."