EO

Het gaat om de inhoud

16 november 2020 om 14:50 uur

Soms kan de binnenkant van een materiaal bepalen wat er aan de buitenkant gebeurt. Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam heeft een nieuwe manier ontwikkeld om deze algemene waarheid nuttig te gebruiken, in het bijzonder in systemen waarin geen sprake is van energiebehoud.


De resultaten zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.

 

In de natuur- en wiskunde is topologie de studie van de meest grootschalige eigenschappen van vormen. Topologie stelt de vraag wat we over een systeem kunnen leren aan de hand van zijn meest globale eigenschappen. In termen van topologie zijn een donut en een trouwring bijvoorbeeld hetzelfde object: het zijn allebei solide voorwerpen met een enkel gat erin. Een krakeling daarentegen, met drie gaten, heeft topologisch gezien een andere vorm.

 

Binnenkant en rand

Topologie is belangrijk voor allerlei vakgebieden, van kwantumelektrodynamica tot akoestiek en mechanica. Ook speelt het een rol in diverse materialen. Een belangrijke eigenschap van topologische materie is de zogeheten bulk-boundary correspondence, de relatie tussen de binnenkant en de rand van een materiaal. Aan de hand van een eenvoudige topologische eigenschap van het binnenste van een materiaal kan het ontstaan van gelokaliseerde golven op de buitenranden voorspeld worden.

Energie wordt altijd behouden. Tenminste: in geïdealiseerde systemen die perfect geïsoleerd zijn van hun omgeving. In de praktijk gaat energie in natuurkundige systemen wel verloren, eenvoudigweg omdat er bijvoorbeeld energie het systeem verlaat (de energie dissipeert). Omgekeerd construeert men in de materiaalwetenschap tegenwoordig ‘actieve materialen' die juist energie winnen uit hun omgeving.

 

Recent is er een ware explosie van activiteit geweest met als doel om het concept van topologie te veralgemeniseren naar zulke meer op de praktijk gebaseerde systemen waar energie verloren kan gaan of gewonnen kan worden. Ondanks deze grote inspanningen is er in experimenten nog geen experimentele waarneming gedaan van topologische randgolven in systemen die hun energie niet behouden.

 

Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam rapporteert nu echter twee doorbraken in dit vakgebied. Het team ontdekte om te beginnen een nieuwe vorm van de bulk-boundary correspondence: een nieuw verband tussen de binnenkant van een materiaal en wat er op de rand gebeurt, specifiek van toepassing op systemen waarin energie niet behouden is. Er werd aangetoond dat een bepaalde verandering in de topologie binnenin het materiaal leidt tot een verandering in de locaties van de golfeffecten op de buitenrand.

 

foto 

Vervolgens maakte het team deze theoretische ontdekking tastbaar door met behulp van tandwielen, stangen, hendels en mini-robots een specifiek metamateriaal te construeren dat de theoretisch voorspelde eigenschappen vertoont. Zulke metamaterialen, kunstmatig samengestelde systemen op basis van slim gerangschikte identieke bouwstenen, zijn de gunstigste media om de topologie van de voortplanting van golven zichtbaar te maken. De bovenstaande afbeelding toont een voorbeeld, in dit geval ééndimensionaal: elke component ‘praat' alleen met zijn linker- en rechterbuur.

 

In geïdealiseerde scenario's praat elke eenheid in een dergelijk materiaal op een symmetrische manier met zijn buren, met energiebehoud als gevolg. In het materiaal dat de onderzoekers construeerden hebben de componenten echter een verschillende interactie met hun linker- en rechterbuur. Als gevolg daarvan kan het systeem energie winnen uit, of afstaan aan zijn omgeving. De natuurkundigen slaagden erin om aan te tonen dat het zelfs in dit geval mogelijk is om trillingen door het systeem te laten lopen, en dat de topologie dan nog steeds verklaart hoe deze interne golven de golfverschijnselen op de rand beïnvloeden. In het bijzonder bepaalt de topologie van het systeem aan welke kant de randgolven zullen voorkomen.

 

Het werk kan van significante invloed zijn op allerlei vakgebieden binnen de natuurkunde, variërend van de quantummechanica van systemen die niet in evenwicht zijn, tot het vervaardigen van interessante nieuwe metamaterialen voor toepassingen waarin het nuttig is om golfeigenschappen naar believen te kunnen sturen. Mogelijke toepassingen liggen in de ontwikkeling van sensoren en de energiewinning, of bijvoorbeeld in het ontwikkelen van nieuwe materialen die schokken zeer efficiënt kunnen absorberen of verzachten.

 

Gerelateerd nieuws

Rathenau: 'Volop kansen om impact innovaties te vergroten'

Rathenau: 'Volop kansen om impact innovaties te vergroten'

Er liggen volop kansen om kennis en innovatie beter in te zetten voor de grote uitdagingen van de samenleving, zoals klimaatverandering, de toekomst van de gezondheidszorg of een eerlijke data-economie. Dat stelt…

ABN Amro: Industriële CO2 reductiedoelen in wankel evenwicht met investeringen en concurrentiekracht

ABN Amro: Industriële CO2 reductiedoelen in wankel evenwicht met investeringen en concurrentiekracht

In Nederland is het gat tussen het niveau van de totale CO2 uitstoot in 2019 en het doel in 2030 nog zo’n 52%. Om het reductiedoel te halen moet tot en met 2030 nog circa 100.504 miljoen kg CO2 worden gereduceerd. Dit…

Engineering Event Safety 2021: Veiligheid moet simpel zijn

Engineering Event Safety 2021: Veiligheid moet simpel zijn

Vanwege de nieuwe coronamaatregelen was het nog even spannend, maar het Engineering Event Safety kon gewoon veilig doorgaan. Op 17 november verzamelden een kleine 200 machinebouwers, engineers, ontwerpers en…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Xelity 10TX is dé IP67 switch voor professionele netwerken

Murrelektronik heeft een IP67 Managed switch met 10 poorten aan het assortiment toegevoegd. Deze bespaart ruimte in de...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Güdel Benelux
Güdel Benelux

Lineaire aandrijf componenten en oplossingen

Orfa Visser BV
Orfa Visser BV

Gespecialiseerd in Forceren, Dieptrekken, Flenswalsen, Lassen en Apparatenbouw.

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

30 november 2021

The Battery Show

A conference and trade fair focused on keeping up with developments in the advanced battery and...

1 december 2021, Den Bosch

Food Technology

Hoe ziet het voedselsysteem van de toekomst eruit? Welke rol speelt technologie hierin?

3 december 2021, online

Seminar on the recycing of permanent magnets

This seminar presents a technical and market overview of magnet recycling in the EU, with current R&I...

Meer agendapunten »