Een nieuwe klasse snelheidsgevoelige mechanische metamaterialen

De resultaten verschenen in Science Advances.

Metamaterialen kunnen zodanig worden ontworpen dat ze uitzonderlijke eigenschappen vertonen die niet worden aangetroffen bij natuurlijke materialen. Bijvoorbeeld, waar we intuïtief verwachten dat voorwerpen die in één richting worden samengedrukt in de tegenovergestelde richting uitzetten, is een klasse metamaterialen met de naam auxetische materialen doelbewust ontworpen om het tegenovergestelde te doen.

Functionaliteiten mechanische metamaterialen

Tot dusver hebben de functionaliteiten van mechanische metamaterialen geen gebruik gemaakt van tijdafhankelijke effecten. Dat is verrassend, stelt eerste auteur Shahram Janbaz, omdat veel flexibele materialen die worden gebruikt om mechanische metamaterialen te bouwen, zoals polymere kunststoffen, mechanisch gedrag vertonen dat afhankelijk is van de snelheid waarmee ze worden vervormd. "Visco-elastische materialen ondergaan, wanneer ze worden belast, langzame veranderingen die energie kosten. Hun mechanische reactie hangt daarom af van hoe snel je ze vervormt."

Het team onder leiding van Amir Zadpoor voegt nu de dimensie tijd toe aan de gereedschapskist van mechanische metamaterialen en creëert zo een nieuwe klasse metamaterialen die hun mechanisch gedrag dynamisch kunnen veranderen.

Het team bouwde langwerpige pilaren die uit twee verschillende materialen bestaan: de ene helft is gemaakt van een materiaal dat reageert op de vervormingssnelheid, de andere helft van een materiaal dat niet gevoelig is voor hoe snel het vervormd wordt. Bij het in de lengterichting samendrukken van deze ‘bipilaar’ zorgt de elasticiteit van de materialen ervoor dat het niet breekt maar buigt.

Vreemde eigenschappen

De onderzoekers toonden aan dat de bipilaar voorspelbaar naar links of rechts buigt afhankelijk van de snelheid waarmee hij samengedrukt wordt. Dit snelheidsafhankelijke gedrag is de sleutel tot het creëren van nieuwe materialen met vreemde eigenschappen die nog niet eerder zijn gezien. "Het enige wat je hoeft te doen is een slimme manier te vinden om een structuur te maken van bipilaren en de kans is groot dat je mechanisch gedrag vindt dat nog nooit eerder is gerapporteerd", zegt Zadpoor.

Janbaz: "We hebben bijvoorbeeld twee parallelle, gespiegelde bipilaren via rigide connectoren met elkaar verbonden, als een eenheidscel die in alle richtingen herhaald kan worden om zo een driedimensionaal metamateriaalrooster te creëren. We ontdekten dat het mechanische gedrag van deze cel bij toenemende compressiesnelheid volledig omschakelt van auxetisch naar conventioneel."

Video’s bij de publicatie laten zien hoe een rooster van onderling verbonden eenheidscellen krimpt bij lage compressiesnelheden en uitzet bij hoge snelheden.

Toepassingen

Een van de mogelijke toepassingen van metamaterialen die dergelijk schakelgedrag vertonen, is als valbescherming. Zadpoor: "Stel je een draagbare laag voor. Onder normale omstandigheden is het zacht en volgt het de bewegingen van het lichaam. Bij een botsing verandert het materiaal zijn gedrag en fungeert het als een schokdemper." Dit kan nuttig zijn voor mensen die lijden aan osteoporose, voor wie botbreuken een grote complicatie vormen.

De onderzoekers creëerden ook bipilaarroosters die zijn geprogrammeerd om minder stijf te worden naarmate ze sneller worden belast. Dit gedrag kan negatieve visco-elasticiteit worden genoemd en is niet eerder waargenomen in vaste stoffen.

Hoewel het waarschijnlijk moeilijk is om veel kleinere bipilaren te maken met hetzelfde ontwerp als de hier geteste modelsystemen van centimeters groot, zien de onderzoekers mogelijkheden om 3D-printtechnieken te gebruiken om roosters van minuscule bipilaren te maken.