Legoer og origami inspirerer næste generations materialer

Inspireret af det sjove at lege med Legos, et internationalt team af forskere fra Tianjin University of Technology og Harvard University har brugt ideen om at samle byggesten til at gøre løftet om næste generations materialer til en praktisk virkelighed.

Udgivelse online i tidsskriftet Procedurer fra National Academy of Sciences Mar, 20, Nan Yang fra laboratoriet for design og intelligent kontrol af avancerede mekaniske systemer og Jesse Silverberg fra Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering fjernede en vigtig flaskehals, der bremsede oversættelsen af ​​videnskabelige fremskridt til kommercielle anvendelser.

Silverberg beskrev det sådan:"Metamaterialer driver en revolution inden for materialevidenskab. Den nuværende tilgang til at bygge dagligvarer viser sig at være begrænset, fordi de materialer, vi arbejder med, har et relativt snævert udvalg af egenskaber og kapaciteter."

Metamaterialer går ud over, hvad der findes i naturen ved at samle enkle elementer i gentagne mønstre. I stor skala, disse mindre komponenter påvirker den større konstruktion på usædvanlige måder. Yang bemærkede "Mangfoldigheden af ​​applikationer vokser. I dag ser vi mekaniske metamaterialer, der bruges til at forme strømmen af ​​vibrationsbølger som jordskælv for at beskytte bygninger. I morgen, hvem ved, hvad der vil blive det næste. "

Forskerne, imidlertid, var bekymrede over, at disse opdagelser ikke var flyttet hurtigt fra laboratoriet til markedet. En udfordring, de bemærkede, var tiden og vanskeligheden ved at designe til virkelige applikationer.

Et par år siden, origami - kunsten at folde papir - blev anerkendt for sin evne til hurtigt at konvertere flade ark til 3D -mønstre med usædvanlige metamaterialegenskaber. "Selvom det er let at folde, den tid, det tager at finde gode designs til praktiske problemer, er ofte for dyrt, "sagde Silverberg." Antag at du ville have et mekanisk metamateriale til at absorbere stød under et bilulykke. Hvad er det bedste design til det? Og selvom du finder et godt foldemønster, passer det overhovedet med bilens chassis? "

Både Yang og Silverberg har små børn. De beskrev deres 'ah-ha'-øjeblik sådan:"Vi arbejdede sent en nat over Skype, og vi indså, at løsningen bogstaveligt talt lå på gulvet foran os. Hvad nu hvis vi kunne bygge metamaterialer, som vores børn bygger med Legos?"

Denne indsigt fik forskerne til at designe et standardsæt med byggesten. "Vi begyndte at designe en grundlæggende enhed, lidt ligesom den klassiske 2-by-4 Lego-klodser, men i stedet for at lave dem i forskellige farver, vi gav dem forskellige mekaniske egenskaber. En stiv, en blød, etc, "sagde Silverberg. Når designet, holdet var i stand til at skabe større og mere detaljerede strukturer på samme måde som deres børn skabte flerfarvede skibe og robotter.

Som eksempler, forskerne viste, hvordan man samler to forskellige typer mekaniske 'tilslagsmaterialer'. De gav også eksempler på, hvordan et forudbestemt sæt egenskaber kan konstrueres til vilkårlige 3D-strukturer, en meget undvigende udfordring siden metamaterialeforskningens begyndelse.

Yang fortsatte, "Nu, der har en grundlæggende strategi, vi udarbejder designet til endnu flere 'klodser' og metoder til hurtigt at samle dem. "Silverberg tilføjede, "Ser frem til, vi forudser værktøjer, der gør det muligt for alle med en computer let at designe komplekse metamaterialer. "