Topologiske defekter producerer eksotisk mekanik i komplekse metamaterialer

Metamaterialer har egenskaber, der afhænger af deres form og arkitektur. Forskere ved AMOLF, Leiden University og Tel Aviv University har fundet en ny måde at designe disse metamaterialer og deres egenskaber på ved bevidst at inkorporere små fejl. De har offentliggjort deres resultater i Naturfysik .

Hvad er forskellen mellem et ark papir og en krøllet kugle papir? Begge er lavet af samme materiale, men et ark papir er fladt og floppy, mens en krøllet kugle er stiv og kugleformet. Så krøller et ark papir sammen, ændrer dens egenskaber. "Vi kalder papir et mekanisk metamateriale:Ved at ændre dets form, materialet får forskellige egenskaber, " siger Anne Meeussen. Men hvordan, Nemlig, ændrer man formen for at opnå ejendommelige egenskaber?

Introduktion af fejl

Den seneste idé kommer fra et samarbejde mellem AMOLF, Leiden Universitet og Tel Aviv Universitet. Anne Meeussen, Erdal Oğuz, Yair Shokef og Martin van Hecke undersøgte den bevidste inkorporering af en lille fejl i et materiale, en topologisk ufuldkommenhed, at observere dens virkninger. "Vi byggede en struktur, der viser ejendommelig adfærd, når den ikke trykkes på én, men to punkter. Ved at gøre det, du kan styre kræfter og deformationer til forskellige steder. Et sådant materiale kan bruges til applikationer, hvor indre kræfter og deformationer skal koordineres. Disse spænder fra skosåler og proteser til bløde robotter."

Små fejl i et materiale påvirker dets egenskaber. Imidlertid, den kontrollerede indsættelse af en lille fejl i et metamateriale er ikke så enkel. Holdet udtænkte et fladt materiale bestående af trekantede puslespilsbrikker, hvis sider kan blive enten konkave eller konvekse. Ved at bruge en 3D-printer, forskerne lavede en ægte version af det teoretiske materiale:en måtte af små stænger forbundet med fleksible hængsler. Dette gjorde det muligt for dem at mærke, hvad der sker, når strukturen bliver klemt. I et perfekt materiale, puslespilsbrikkerne passer nøjagtigt sammen, så konkave sider kun findes ved siden af ​​konvekse sider. Når de to sider trykkes, måtten deformeres let og føles blød.

Besynderlige effekter

Men hvad sker der, hvis du roterer en række puslespilsbrikker på en sådan måde, at de ikke længere passer? "Vi kalder det en topologisk ufuldkommenhed, " forklarer Meeussen. "Du kan ikke bare løse den ufuldkommenhed ved at rotere en enkelt puslespilsbrik tilbage." I det metamateriale, som Meeussen designede, en sådan topologisk ufuldkommenhed har usædvanlige konsekvenser. At klemme det uperfekte materiale fra to sider giver en blød halvdel, der deformeres, og en hård halvdel, der forbliver stiv. Klem på lidt forskellige punkter får halvdelene til at skifte:blødt bliver hårdt og hårdt bliver blødt.

Meeussen siger, "En sådan asymmetrisk effekt af en topologisk ufuldkommenhed er aldrig tidligere blevet påvist. Vi har opdaget, hvordan man kan inkorporere disse ufuldkommenheder på en kontrolleret måde, og vi har formuleret generelle regler for at gøre det. Derfor, alle kan arbejde med dette koncept. Det er en ny måde at se på mekaniske metamaterialer, fordi vi anvender begreber fra kondenseret stof og matematik. Det er spændende at se, at der er interesse for vores resultater på tværs af alle disse discipliner."