Forskere skaber en ny klasse af hastighedsfølsomme mekaniske metamaterialer

Forskere ved Institut for Biomekanisk Teknik ved Delft University of Technology har skabt en ny klasse af metamaterialer, der dynamisk kan ændre deres mekaniske adfærd. Det kan danne grundlag for praktiske anvendelser, såsom faldsikret tøj til ældre. Resultaterne skal vises i journalen Videnskab fremskridt den 17. juni.

Metamaterialer er kunstigt fremstillede materialestrukturer, der stammer deres egenskaber fra deres interne mikrostrukturelle design, frem for den kemiske sammensætning af det materiale, de er bygget op af. Metamaterialer kan designes til at vise usædvanlige egenskaber, der ikke findes i simple naturlige materialer. For eksempel, mens strukturer, der komprimeres i en retning, intuitivt forventes at ekspandere i den modsatte retning, en klasse af metamaterialer kaldet auxetiske materialer er målrettet designet til at gøre det modsatte.

Mekaniske metamaterialefunktioner

Så langt, mekaniske metamaterialefunktionaliteter har ikke udnyttet tidsafhængige effekter. Dette er overraskende, siger Dr. Shahram Janbaz, forsker ved gruppen Biomaterials &Tissue Biomechanics i TU Delft og første forfatter af papiret, fordi en masse fleksible materialer, der bruges til at konstruere mekaniske metamaterialer, såsom polymerbaseret plast, vise mekanisk adfærd, der afhænger af den hastighed, hvormed de deformeres. "Viskoelastiske materialer, når anstrengt, gennemgår langsomme ændringer, der spilder energi. Deres mekaniske reaktion, derfor, afhænger af, hvor hurtigt du deformerer dem. "

Holdet, ledet af prof. Amir Zadpoor, bringer nu tidsdimensionen ind i den mekaniske metamateriale værktøjskasse, skabe, hvad der kunne betragtes som en ny klasse af metamaterialer, der dynamisk kan ændre deres mekaniske adfærd.

Teamet konstruerede høje søjler, der består af to forskellige materialer:Den ene side er lavet af et materiale, der reagerer på deformationshastigheden, mens materialet på den anden side ikke er ligeglad med, hvor hurtigt den deformeres. Når du anvender en trykkraft langs den lange akseretning af denne "bi-beam, "Elastikken i begge materialer sikrer, at den ikke går i stykker, men snarere spænder.

Mærkelige ejendomme

Forskerne viste, at bi-beam forudsigeligt spænder til enten venstre eller højre side afhængigt af hastigheden af ​​komprimering. Denne stamhastighedsafhængige adfærd for bi-bjælker er nøglen til at skabe nye materialer med mærkelige egenskaber, der ikke er set før. "Alt du skal gøre er at finde en smart måde at samle bi-bjælker på, og odds er ret gode til, at du finder mekanisk adfærd, der aldrig er blevet rapporteret før, "siger Zadpoor.

Janbaz forklarer:"F.eks. vi forbandt to parallelle, spejlede bi-bjælker til hinanden gennem stive stik som en grundlæggende enhedscelle, der kan gentages i alle retninger for at skabe en tredimensionel metamateriale gitterstruktur. Vi fandt ud af, at ved at øge belastningshastigheden, den mekaniske adfærd for en sådan celle skiftede fuldstændig fra auxetisk til konventionel. "Videoer, der ledsager publikationen, viser, hvordan et gitter, der består af sammenkoblede enhedsceller, krymper for lave kompressionshastigheder og udvider sig til høje hastigheder.

Ansøgninger

En af potentielle anvendelser af metamaterialer, der viser en sådan koblingsadfærd, er beskyttelse mod fald. Siger Zadpoor, "Forestil dig et bærbart lag. Under normale omstændigheder, den er blød og følger kroppens bevægelser. Når der sker en påvirkning, materialet ændrer sin adfærd, fungerer som en støddæmper. "Dette kan hjælpe mennesker, der lider af osteoporose, hvor knoglebrud udgør en større komplikation.

Forskerne skabte også bi-beam gitter, der er programmeret til at blive mindre stive, hvis de bliver anstrengt hurtigere. Denne adfærd kan kaldes negativ viskoelasticitet og er ikke blevet observeret før i faste stoffer.

Selvom det kan være svært at oprette meget mindre bi-beams af samme design som de centimeterstore modelsystemer, der er testet her, forskerne ser muligheder for at bruge 3-D trykningsteknikker til at skabe gitter af små bi-bjælker.

Forskerne er begejstrede for potentialet i deres bi-beam design. "Vi forventer, at dette grundlæggende element kan bruges til at skabe en lang række mekaniske adfærd, "siger Janbaz.