Metamaterialen hebben eigenschappen die afhankelijk zijn van hun vorm en architectuur. Onderzoekers van AMOLF, Universiteit Leiden en de Universiteit van Tel Aviv vonden een nieuwe manier om deze metamaterialen en hun eigenschappen te ontwerpen door expres foutjes in te bouwen. Ze publiceren hun resultaten vandaag in Nature Physics.
Wat is het verschil tussen een vel en een prop papier? Het is gemaakt van hetzelfde materiaal maar een vel papier is plat en slap, een prop is stijf en bolvormig. Door een vel papier te verfrommelen verander je dus de eigenschappen. “Het papier noemen we een mechanisch metamateriaal: door de vorm krijgt het materiaal andere eigenschappen,” zegt Anne Meeussen. Maar hoe moet je de vorm precies veranderen om bijzondere eigenschappen te krijgen?
Fouten maken
Het nieuwste idee daarvoor komt uit een samenwerking tussen het Amsterdamse AMOLF, de Universiteit Leiden en de Universiteit van Tel Aviv. Anne Meeussen, Erdal Oğuz, Yair Shokef en Martin van Hecke onderzochten het expres inbouwen van een foutje in een materiaal, een topologische imperfectie, om te kijken welke invloed dat heeft. “We hebben een structuur gebouwd die bijzonder gedrag vertoont als je het op niet één maar twee plekken indrukt. Als je dat doet, kun je krachten en vervormingen naar verschillende plekken sturen. De toepassingen van zo’n materiaal liggen overal waar interne krachten en vervormingen moeten worden gecoördineerd. Van schoenzolen en protheses tot zachte robots.”
Puzzelstukken
Foutjes in een materiaal beïnvloeden de eigenschappen. Maar het gecontroleerd aanbrengen van een foutje in een metamateriaal is niet zo eenvoudig. Het team bedacht een vlak materiaal dat uit driehoekige puzzelstukken bestaat waarvan de zijden hol of bol kunnen worden. Met een 3D-printer maakten de onderzoekers een echte versie van het theoretische materiaal: een matje van kleine staafjes die met flexibele scharniertjes aan elkaar vastzitten. Zo kun je voelen wat er gebeurt als je erin knijpt. In een perfect materiaal passen alle puzzelstukken precies in elkaar, zodat er alleen holle naast bolle zijdes zitten. Als je er aan twee kanten in knijpt, vervormt het matje makkelijk en voelt het zacht aan.
Bijzondere effecten
Maar wat gebeurt er als je een rijtje puzzelstukjes zo draait dat ze niet meer passen? “Dat noem je een topologische imperfectie,” legt Meeussen uit. “Die imperfectie kun je niet zomaar oplossen door één enkel puzzelstukje weer terug te draaien.” In het metamateriaal dat Meeussen ontwierp heeft zo’n topologische imperfectie bijzondere gevolgen. Als je aan twee kanten in het imperfecte materiaal knijpt, krijgt het een zachte helft die vervormt, en een harde helft die stug blijft zitten. Knijp je op een net andere plek, dan draaien de helften om: zacht wordt hard, en hard wordt zacht.
Breed toepasbaar
Meeussen zegt: “Zo’n antisymmetrisch effect van een topologische imperfectie is nooit eerder vertoond. We hebben een manier gevonden om gecontroleerd deze imperfecties in te bouwen en formuleren algemene regels daarvoor. Dus iedereen kan hiermee aan de slag. Het is een nieuwe manier om tegen mechanische metamaterialen aan te kijken, doordat we concepten uit de gecondenseerde materie en de wiskunde toepassen. Het is mooi om te zien dat er vanuit al deze vakgebieden interesse is in onze resultaten.”
