Voor Jordan Raney, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, geavanceerde wetenschap omvat soms het meppen van een rubberen schijf met een hamer.

In een recent experiment is hij en Chengyang Mo, een afgestudeerde student in Raney's Architected Materials Laboratory, een 3D-printer gebruikt om dit ongewone te maken, Frisbee-formaat structuur. Het bestaat uit honderden verbonden rubberen vierkanten, elk met een kogellager aan de binnenkant. Het is een voorbeeld van een "mechanisch metamateriaal, " een klasse van systemen die ongebruikelijk fysiek gedrag vertonen dat voortkomt uit hun interne geometrie in plaats van de eigenschappen van de materialen waaruit ze zijn gemaakt.

Raney en Mo probeerden de voortplanting te begrijpen van een uniek type niet-lineaire golf, een soliton genaamd. Om dat te doen, ze plaatsten hun structuur bovenop kogellagers en zetten een hogesnelheidscamera op om de beweging van de golf op 6 te registreren, 000 beelden per seconde. Vervolgens, volgens hun papier, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , ze "maakten het monster opgewonden met een impactor" - of sloegen erop met een hamer van $ 6 uit de ijzerhandel.

Hun studie is de eerste die laat zien hoe deze golven zich voortplanten in een zacht 2D-systeem.

“Dit is interessant omdat in 2D, de golf verandert drastisch, afhankelijk van waar je de vierkanten raakt, " zegt Mo. "Wanneer de impact onder een bepaalde hoek wordt toegepast, de golf concentreert zich en verspreidt zich niet terwijl hij beweegt."

Dit gedrag is eerder waargenomen in korrelige materialen, zoals zand, waar het een "geluidskogel" wordt genoemd.

"Het is als een verstoring aan de rand van een vijver, " zegt Raney, "maar in plaats van zich cirkelvormig naar buiten te verspreiden, de golf gaat als één compacte puls over de vijver. Op die manier, alle energie van de input kan worden ontvangen door de output in plaats van te verspreiden."

Een beter begrip van mechanische metamaterialen zoals die van Raney, Mo en hun co-auteurs kunnen biomedische toepassingen hebben, omdat het beïnvloeden van de lichaamsweefsels met gecontroleerde energiepulsen diagnostische of therapeutische waarde kan hebben. ruimtevaart, marine of automotive toepassingen zijn ook mogelijk, met mechanische metamaterialen die de kracht van een impact wegleiden van mensen of ladingen.