Algemeen

Metamateriaal roteert onder belasting

Krachten van bovenaf worden via steunen overgebracht naar de loodrecht staande ringstructuren. Hun rotatie trekt aan de hoeken van de horizontale oppervlakken van de kubus (foto's: T. Frenzel / KIT).

Met 3D-printers voor het microgebied is het onderzoekers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelukt een metamateriaal uit kubusvormige bouwstenen te maken, dat op drukkrachten reageert met een rotatie. Gewoonlijk lukt dat alleen met behulp van een overbrenging (bijvoorbeeld een krukas). De onderzoekers deden het ontwerp uit steunen en ringstructuren plus de hieraan ten grondslag liggende wiskunde uit de doeken in een recente uitgave van Science.

Als men van bovenaf een kracht uitoefent op een blok materiaal, dan deformeert dat op uiteenlopende manieren. Het kan uitdijen, stuiken of knikken. Draaien zal het volgens de geldende wetten van de mechanica echter niet. Maar het is de onderzoekers in Karlsruhe toch gelukt om een filigrane kubusstructuur te ontwerpen, die op belasting reageert met een rotatie om de eigen as.

Simulatie en vervaardiging

Eerst hebben ze via een computersimulatie een ontwerp gemaakt dat zo’n, tot nu toe niet beschreven, mechanische eigenschap vertoont. Hun berekeningen toonden aan, dat ze met een doordachte chirale structuur het gewenste resultaten konden bereiken: een lichaam waarvan beeld en spiegelbeeld niet congruent zijn, zoals bijvoorbeeld bij de linker- en rechterhand.

KIT metamateriaal 2
Torens uit 500 chirale dobbelsteenstructuren roteren onder belasting rond hun eigen as. Achirale structuren hebben deze eigenschap niet.

De door de wetenschappers berekende filigrane kubus bestaat uit steunen en ringen die volgens een nauwkeurig bepaald model met elkaar zijn verbonden. De armen die de ringstructuren met de hoeken van de kubussen verbinden, bewegen onder belasting loodrecht naar beneden. Deze beweging leidt tot een rotatie van de ringen. Deze roterende bewegingen dragen weer krachten over op de hoeken van de loodrechte vlakken van de kubus, zodat het totale lichaam om zijn eigen as begint te draaien.

Vervolgens bouwden de onderzoekers met een op het KIT bekende 3D-microprintmethode torens uit juist deze kubusstructuren in verschillende grootten, dikten en aantallen. De zijden van de kubussen waren tussen 100 µm en 500 µm lang. Hieruit construeerden ze torens die bestonden uit vier tot vijfhonderd kubussen en 2 mm hoog waren. Om de theorie te testen, produceerden ze gelijktijdig torens uit achirale kubussen, dus exemplaren waarvan beeld en spiegelbeeld overeenstemmen.

Testen van het metamateriaal

Bij testen draaiden de uit chirale bouwstenen samengestelde torens bij uitoefenen van een kracht duidelijk meetbaar om hun eigen as. Bij elke procent deformatie konden de onderzoekers een verdraaiing tot 2° meten. De torens uit achirale kubusstructuren vertoonden deze verdraaiing niet. Tegelijkertijd constateerden de onderzoekers dat de stijfheid van de torens toenam met het aantal kubussen, hoewel de afzonderlijke onderdelen proportioneel steeds filigranere dimensies kregen.

Een praktische toepassing voor het metamateriaal is volgens de onderzoekers echter nog ver weg. Het werk werd geïnspireerd door vroegere studies naar elastische structuren om bijvoorbeeld schokgolven van aardbevingen rondom historische gebouwen te bufferen of om te leiden.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven