Vækst under pres:Nyt metamateriale designet med kontraintuitiv egenskab

I en ikke alt for fjern fremtid, det kan være muligt at 3D-udskrive stort set alt. Overvej standardprintere, som "syntetiserer" tusinder af farver ved kun at bruge tre farvepatroner. I analogi, fremtidige 3D-printere kan være i stand til at syntetisere tusindvis af forskellige materialegenskaber med en håndfuld materialekassetter.

Dette koncept inspirerede en gruppe forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT) i Tyskland og det franske nationale center for videnskabelig forskning til at undersøge en sådan udvikling af en mekanisk egenskab kaldet effektiv statisk komprimerbarhed. Som de nu melder ind Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing, ved at bruge en enkelt patron er det muligt at udskrive et metamateriale, der udvider sig i størrelse under hydrostatisk tryk, selvom den består af materiale, der normalt krymper under hydrostatisk tryk. I princippet, der er ingen grænse for den negative værdi, som dette materiales effektive komprimerbarhed kan tage.

"[O] ur poroelastisk tredimensionalt metamateriale, et menneskeskabt kompositmateriale, der udviser egenskaber, der ikke findes i naturlige materialer, ekspanderer effektivt ved forøgelse af det hydrostatiske tryk i en omgivende gas eller væske, "sagde Jingyuan Qu, en doktorand og forsker ved KIT's Institute of Applied Physics og Institute of Nanotechnology. "For de fleste materialer, adfærden er det stik modsatte. Ved første øjekast, en negativ komprimerbarhed ser endda ud til at overtræde fysiske grundlæggende love. "

Kernen i gruppens design af metamaterialestrukturen er en hul, 3-D krydsstruktur med cirkulære membraner i hver ende af korset.

"Akin til en tromme, disse membraner vil skæve indad, hvis det ydre tryk er større end trykket i det lukkede volumen inde i korset, "Sagde Qu." Ved korrekt at forbinde disse membraner via stænger, og ved at bruge otte sådanne tredimensionelle kryds i en enhedscelle, det er muligt at opnå en isotrop effektiv volumenforøgelse ved at øge trykket - en negativ effektiv komprimerbarhed. "

Dette er særligt spændende arbejde, Qu påpegede, fordi en negativ komprimerbarhed under statiske og ubegrænsede forhold generelt er forbudt ved fysikkens love.

"Det er ustabilt og krænker energibesparelser, "Sagde Qu." Tricket med vores struktur er, at det volumen, du kan se, stiger, når det omgivende tryk øges, der henviser til, at mængden, der er omsluttet af det 3D-trykte materiale-en mængde, som du ikke opfatter direkte-falder og gør strukturen både stabil og fysisk. "

En af metamaterialets særlige egenskaber er en nul negativ effektiv komprimerbarhed, ifølge Qu. "Det betyder, at metamaterialets effektive volumen simpelthen ikke ændres, " han sagde.

Med succes med strukturens omfattende modellering, gruppen er allerede begyndt at forfølge den krævende opgave at demonstrere dens fabrikation.

"Vi har beregnet materialets adfærd ved hjælp af [engineering simuleringssoftware], så materialet mangler endnu at blive fremstillet og målt eksperimentelt, "Sagde Qu." Fremstilling er en krævende sag til 3D-laser-nanoprint, fordi de nødvendige skjulte indre volumener ikke tidligere er opnået. "

At lave et sådant metamateriale ville sandsynligvis ikke være muligt med konventionelle bearbejdningsteknikker, der har tendens til at fjerne materiale for at bygge en struktur. Med en additiv teknik som 3D-udskrivning, imidlertid, fremstilling af skjulte strukturer og lukkede mængder bliver mulig, hvilket gør dette til en ideel måde at skabe negative komprimerbarhedsmetamaterialer på.