Metamaterialen hebben eigenschappen die afhankelijk zijn van hun vorm en architectuur. Onderzoekers van AMOLF, De Universiteit Leiden en de Universiteit van Tel Aviv hebben een nieuwe manier gevonden om deze metamaterialen en hun eigenschappen te ontwerpen door bewust kleine foutjes in te bouwen. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in Natuurfysica .

Wat is het verschil tussen een vel papier en een verfrommelde bal papier? Beide zijn gemaakt van hetzelfde materiaal, maar een vel papier is plat en slap, terwijl een verfrommelde bal stijf en bolvormig is. Dus een vel papier verfrommelen, verandert zijn eigenschappen. "We noemen papier een mechanisch metamateriaal:door van vorm te veranderen, het materiaal krijgt verschillende eigenschappen, " zegt Anne Meeussen. Maar hoe, precies, verandert men de vorm om bijzondere eigenschappen te verkrijgen?

Fouten introduceren

Het nieuwste idee komt voort uit een samenwerking tussen AMOLF, Universiteit Leiden en Universiteit van Tel Aviv. Anne Meussen, Erdal Oğuz, Yair Shokef en Martin van Hecke onderzochten het opzettelijk incorporeren van een kleine fout in een materiaal, een topologische imperfectie, om de effecten ervan te observeren. "We hebben een structuur gebouwd die eigenaardig gedrag vertoont wanneer er op niet één wordt gedrukt, maar twee punten. Door dat te doen, je kunt krachten en vervormingen naar verschillende locaties sturen. Een dergelijk materiaal kan worden gebruikt voor toepassingen waarbij interne krachten en vervormingen moeten worden gecoördineerd. Dat gaat van schoenzolen en prothesen tot zachte robots."

Kleine fouten in een materiaal beïnvloeden de eigenschappen ervan. Echter, het gecontroleerd invoegen van een kleine fout in een metamateriaal is niet zo eenvoudig. Het team bedacht een plat materiaal dat bestaat uit driehoekige puzzelstukjes waarvan de zijkanten concaaf of convex kunnen worden. Met behulp van een 3D-printer, de onderzoekers maakten een echte versie van het theoretische materiaal:een mat van kleine staafjes die met flexibele scharnieren aan elkaar zijn verbonden. Hierdoor konden ze voelen wat er gebeurt als de structuur wordt samengedrukt. In een perfect materiaal, de puzzelstukjes passen precies in elkaar zodat holle zijden alleen naast bolle zijden te vinden zijn. Wanneer de twee kanten worden ingedrukt, de mat vervormt gemakkelijk en voelt zacht aan.

Bijzondere effecten

Maar wat gebeurt er als je een rij puzzelstukjes zo draait dat ze niet meer passen? "We noemen dat een topologische imperfectie, ", legt Meeussen uit. "Je kunt die imperfectie niet zomaar oplossen door een enkel puzzelstukje terug te draaien." In het metamateriaal dat Meeussen ontwierp, zo'n topologische imperfectie heeft ongebruikelijke gevolgen. Door van twee kanten in het imperfecte materiaal te knijpen, ontstaat een zachte helft die vervormt en een harde helft die stijf blijft. Knijpen op iets verschillende punten zorgt ervoor dat de helften wisselen:zacht wordt hard en hard wordt zacht.

Meeussen zegt, "Zo'n asymmetrisch effect van een topologische imperfectie is nog nooit eerder aangetoond. We hebben ontdekt hoe we deze imperfecties op een gecontroleerde manier kunnen incorporeren, en daarvoor hebben we algemene regels opgesteld. Daarom, iedereen kan met dit concept werken. Het is een nieuwe manier om naar mechanische metamaterialen te kijken, omdat we begrippen uit de gecondenseerde materie en wiskunde toepassen. Het is spannend om te zien dat er in al deze disciplines belangstelling is voor onze resultaten."