Metamaterialer tilbyder multifunktionelle materialer til teknik

I de seneste år, Metamaterialers popularitet er steget betydeligt. Disse materialer findes ikke i naturen eller fremstilles ved hjælp af kemiske reaktioner, men er designet geometrisk i fysiklaboratoriet. Metamaterialer kan gives særlige, ofte modstridende, ejendomme. For første gang, fysikere har nu udviklet en værktøjskasse til at skabe materialer, der har flere sådanne egenskaber samtidigt. Undersøgelsen blev offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences denne uge.

Forskningen, der førte til de nye materialer, blev udført af fysikerne Aleksi Bossart, David Dykstra, Jop van der Laan og Corentin Coulais fra University of Amsterdam. Ved hjælp af værktøjskassen, de skabte et materiale, der ændrer dets adfærd, da det komprimeres enten hurtigt eller langsomt. Nye materialer som dette kan være meget nyttige for støddæmpere i biler, til byggematerialer, der kan modstå jordskælv eller flowregulerende trykventiler.

Designer materialer

Metamaterialer er konstruerede materialer med ekstraordinære egenskaber. Disse egenskaber kommer fra deres geometriske struktur frem for deres kemiske sammensætning. Metamaterialernes kompleksitet ligger i deres design, ikke i hvordan de er konstrueret:når den korrekte geometri er kendt, en 3D -printer er ofte tilstrækkelig til at lave materialet. I løbet af de sidste par år har fysikere er blevet mere og mere dygtige til at designe metamaterialer med interessante egenskaber. For eksempel, materialer kan nu konstrueres til at være meget lette og meget stive, eller for at udvise mærkelig mekanisk adfærd - de kan krympe sidelæns, når de komprimeres, der henviser til, at almindelige materialer ekspanderer, eller de kan endda opføre sig som programmerbare formskiftere.

Selvom det ikke altid er let at udføre, ideen virker derfor enkel:hvis du har brug for et materiale med en bestemt egenskab, find en klog fysiker til at designe det for dig. Men hvad nu hvis du har brug for et materiale, der har særlige egenskaber? Og hvad hvis, afhængigt af omstændighederne, du vil være i stand til at skifte mellem de to ejendomme?

To funktionaliteter

Det er netop den type spørgsmål, man støder på, når, for eksempel, søger materialer, der kan modstå jordskælv. Et sådant materiale bør reagere meget anderledes på de små vibrationer, der er til stede i en bygnings hverdag, end det burde, når man oplever et stød på grund af et jordskælv. Med applikationer som denne i tankerne, Bossart, Dykstra, Van der Laan og Coulais satte sig for at designe materialer, der ikke har én, men flere funktionaliteter inden for en enkelt struktur.

I særdeleshed, det lykkedes dem at skabe metamaterialer, der enten kan krympe eller ekspandere på siden, når de komprimeres, afhængigt af hvor hurtigt komprimeringskraften udøves. Et eksempel på et sådant materiale er vist på billedet ovenfor:nøglen til materialets funktionaliteter er i mønsteret af dets huller. Når der udøves tryk, hullerne deformeres samlet, men denne kollektive adfærd er anderledes, når trykket udøves langsomt, end når det udøves hurtigt.

Nye metamaterialer som denne kan være meget interessante til alle slags industrielle applikationer. En anvendelse ville være i jordskælvsresistente byggematerialer, men metamaterialerne kan også føre til andre energiabsorberingsapplikationer - tænk på støddæmpere i biler - eller til nye tilpasningsdygtige apparater inden for robotteknologi, herunder flowregulerende trykventiler.