Wetenschap
Gemakkelijke compressie, gemakkelijke vloei:het onderzoeksteam ontwerpt nieuwe korrelige materialen
Als we een strandwandeling maken, lopen we zonder problemen over het zand. Het zand lijkt vast en is moeilijk samen te drukken. Als we dezelfde zandkorrels in een zandloper doen, gedragen ze zich heel anders:het zand vloeit als een vloeistof.
Korrelvormige materialen zoals zand hebben veel interessante eigenschappen. In in het laboratorium gemaakte korrelige materialen zijn wetenschappers er tot nu toe in geslaagd hun ‘vloeibare’ stromingseigenschappen te verfijnen, maar de ‘vaste’ samendrukbaarheidseigenschappen zijn tamelijk robuust gebleven.
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en uit Santiago in Chili zijn er nu in geslaagd nieuwe korrelige materialen te ontwerpen die ook gemakkelijk kunnen worden gecomprimeerd, een resultaat dat een groot potentieel zou kunnen hebben in toepassingen als schokdemping.
Je vindt ze allemaal langs de kust van Japan:tetrapoden, enorme vierpotige betonblokken die erosie van kuststructuren voorkomen. Samen vormen deze tetrapoden een korrelig metamateriaal:een korrelig materiaal zoals zand, maar dan door mensen ontworpen en gemaakt. Tetrapoden hebben hun vorm niet voor niets. De verlengde poten maken het erg moeilijk om een stapel van deze blokken te laten stromen. In tegenstelling tot gewone rotsblokken blijven ze op hun plaats en doen daardoor waar ze voor bedoeld zijn:voorkomen dat de kustlijn verandert.
Het voorbeeld van tetrapoden laat zien dat het relatief eenvoudig is om een korrelig systeem te maken dat bijna onsamendrukbaar is en veel slechter vloeit dan zand. Aan de andere kant van het spectrum is het erg moeilijk gebleken om een materiaal te maken dat gemakkelijk samen te drukken is en beter vloeit dan zand.
Dankzij het werk van de onderzoekers uit Amsterdam en Santiago, gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences deze week is deze situatie nu veranderd, wat zeer interessante kansen biedt.
Daan Haver, eerste auteur van de publicatie, legt uit:“Op het gebied van metamaterialen construeren we de geometrie van een materiaal zo dat het materiaal een gewenste respons heeft. Normaal gesproken verwachten we bijvoorbeeld dat een elastische band dunner wordt wanneer wij strekken het uit.
"In eerder werk hebben onderzoekers manieren laten zien om materialen te maken die dunner worden, niet wanneer ze worden uitgerekt, maar wanneer ze worden samengedrukt, puur op basis van de geometrie van het materiaal. Dit voorbeeld laat zien dat het mogelijk is om de eigenschappen van je materiaal af te stemmen. We vroegen ons af of we zouden dit idee kunnen gebruiken om ook korrelige materialen af te stemmen."
In het laboratorium maakten de onderzoekers korrels die radiaal krimpen als er externe druk is. Dat betekent dat wanneer een pakking van deze korrels wordt samengedrukt, de hoeveelheid vrije ruimte tussen de korrels ongeveer gelijk blijft, waardoor het vloeigedrag van de korrels vergelijkbaar blijft met dat van een vloeistof.
Haver stelt:“De krachten in het medium blijven laag. Daardoor is de pakking niet alleen goed samendrukbaar, maar kan deze ook beter vloeien. We stoppen de korrels in een trechter. Normaal gesproken vormen korrels een belemmerende boog. Wanneer de korrels echter krimpen met betrekking tot de openingsgrootte zullen de korrels uiteindelijk stromen.
"Er werd altijd gedacht dat korrelige materialen moeilijk samen te persen zouden zijn en dat veranderingen in de korrels de vloei-eigenschappen zouden verslechteren. Met onze nieuwe korrels hebben we een richting geopend waarin we totaal andere pakkingen kunnen creëren die gemakkelijk samen te drukken zijn en toch gemakkelijk vloeien. ."
Schokdemping
De nieuwe resultaten kunnen een groot potentieel hebben bij het dempen van schokken. De onderzoekers toonden aan dat een metalen schijf, wanneer hij in een pak nieuwe korrels valt, gedurende een lange periode vertraagt en nauwelijks terugveert. De energie van de beweging van de schijf wordt dus consistenter en homogener overgebracht naar de pakking.
Haver zegt:"Stel je voor dat iemand in plaats van een metalen schijf valt tijdens een schaatsrace. De impact op de schaatser als hij de muur raakt, zou klein zijn als de nieuwe korrels in het kussen worden gebruikt. Als grote bonus zou de persoon niet terug op de baan stuiteren, waardoor de situatie veiliger wordt voor alle betrokkenen."