Bouwen met flexibele blokjes (video)

Normaal gesproken bepalen atomen en moleculen de eigenschappen van de materialen die ze vormen. Dat ligt anders bij door de mens ontworpen metamaterialen. "Bij metamaterialen bepaalt de ruimtelijke structuur het gedrag van het materiaal", vertelt Martin van Hecke, leider van de Amolf-groep Mechanical Metamaterials. "Zo zorgt een gaatjespatroon in een plak materiaal ervoor dat bijvoorbeeld de elasticiteit compleet anders is dan bij hetzelfde materiaal zonder gaatjes. We wilden dit fenomeen ook onderzoeken voor een driedimensionaal gaatjespatroon."

3D-puzzel

Van Hecke en zijn collega’s ontwikkelden een kubusvormig, flexibel bouwsteentje met een gat erin. Druk je op zo’n blokje, dan deuken sommige zijden van de kubus in, terwijl andere juist opbollen. Door meerdere van zulke bouwsteentjes te stapelen, kunnen de onderzoekers driedimensionale structuren maken, met gaatjes binnenin. Van Hecke: "De oriëntatie van de blokjes in het uiteindelijke metamateriaal is van belang. Onder druk moeten alle holle en bolle zijden precies in elkaar passen. De meeste stapelingen zijn ‘gefrustreerd’: ergens binnenin komen een paar holle of bolle zijden elkaar tegen. Maar er blijkt ook een groot aantal passende oplossingen te zijn voor deze driedimensionale puzzel."

Patronen

Van Hecke’s collega’s aan de Universiteit van Tel Aviv rekenden het aantal mogelijke, niet-gefrustreerde stapelingen door voor verschillende kubussen van bouwblokjes. "Voor een kubus van 14 bij 14 bij 14 bouwstenen is dat een getal van maar liefst vijfenzestig cijfers", vertelt van Hecke. "Voor elke mogelijke stapeling resulteert de vervorming binnenin in een specifiek patroon op de zijden van de kubus. Door het slim combineren van bouwstenen kunnen we op die zijden elk gewenst patroon laten verschijnen als we de kubus indrukken. Verassend genoeg kan zo’n kubus ook patronen analyseren. Als we hem tegen een patroon van hollingen en bollingen aan drukken, meten we een kracht die afhankelijk is van het patroon."

Machinematerialen

Hoewel Van Hecke’s onderzoek fundamenteel is, liggen toepassingen om de hoek. "Dit soort programmeerbare ‘machinematerialen’ zouden goed bruikbaar zijn in bijvoorbeeld prothesen of draagbare technologie, waarbij nauwe aansluiting op het lichaam van belang is", aldus Van Hecke. "Als we de bouwstenen ingewikkelder kunnen maken, of van andere materialen, zijn de mogelijkheden helemaal eindeloos." 

Corentin Coulais, Eial Teomy, Koen de Reus, Yair Shokef and Martin van Hecke: "Combinatorial Design of Textured Mechanical Metamaterials", Nature, 535, 529-532 (2016), DOI:10.1038/nature18960

Combinatorial Design of Textured Mechanical Metamaterials from Fast Facts on Vimeo.