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

Witteveen+Bos verpompt 4000 ton water per uur van Rotterdam naar Den Haag

Witteveen+Bos verpompt 4000 ton water per uur van Rotterdam naar Den Haag

Gasunie en Havenbedrijf Rotterdam werken momenteel aan een ondergrondse leiding waarmee restwarmte uit de Rotterdamse haven kan worden gebruikt om huizen en bedrijven in Zuid-Holland te verwarmen. Witteveen+Bos won…

TU/D Solar Team bouwt waterstofboot

TU/D Solar Team gelooft meer in waterstof dan in zon

Het TU Delft Solar Boat Team heeft in de afgelopen jaren succesvolle prestaties neergezet met zijn boten op zonne-energie. Dit jaar neemt het team de volgende grote stap om een boot te ontwerpen en te bouwen die vaart op…

80 Nederlandse bedrijven naar CES

Tachtig Nederlandse bedrijven naar CES

Tachtig Nederlandse innovatieve groeibedrijven nemen in januari deel aan de Consumer Electronics Show (CES). Dit is de grootste Nederlandse CES-delegatie ooit. De deelnemers vertegenwoordigen een breed aanbod van…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Nieuw: dynamische inclinometer van DIS Sensors

Monitor machines en installaties zónder dat trillingen de gemeten waarden beïnvloeden met de dynamische inclinometer...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

8 december 2020, online

Medische elektronica event

De focus van dit event ligt op de ontwikkeling (+ voorwaarden/regelgeving) en productie van medische...

8 december 2020, München

automatica

Vakbeurs over automatisering en robotica

10 december 2020, 10, 11 en 14 december 2020

Machineveiligheid in vogelvlucht (online training)

Meer agendapunten »