Onderzoekers van de TU Delft hebben een slim metamateriaal ontwikkeld dat straks medische apparatuur kan verbeteren, onderwatersensoren nauwkeuriger maakt en lichtere componenten voor de luchtvaart mogelijk maakt.

Het gaat om een nieuw type piëzo-elektrisch materiaal, schrijven onderzoekers Saurav Sharma en Jovana Jovanova in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. 

Waar de eigenschappen daarvan voorheen alleen konden worden aangepast door de chemie ervan te wijzigen, daar vonden Sharma en Jovanova een manier om in de mechanische architectuur in te grijpen. Daarom heet het materiaal mechanical architected material, of, in het Nederlands, metamateriaal.

Fysieke beperkingen

Piëzo-elektrische materialen wekken een elektrisch signaal op wanneer ze worden ingedrukt of in trilling worden gebracht. Omgekeerd kunnen ze vervormen onder invloed van een elektrisch veld. ‘Ze zitten overal in’, zegt Sharma ‘In apparatuur voor medische beeldvorming, sonar, sensoren en ook in mobieltjes.’

Traditioneel worden piëzo-elektrische materialen gemaakt van keramiek of kwarts. Die hebben echter ingebouwde fysieke beperkingen, waardoor hun gevoeligheid en richtingsgedrag lastig instelbaar zijn. Omdat elke toepassing net een ander gedrag vereist, maakt dat een brede bredere toepassing van de piëzo-elektrische materialen gecompliceerd.  

Interne architectuur

In plaats van de chemische samenstelling te veranderen, herontwierp het Delftse team onder leiding van Sharma daarom de interne structuur van het materiaal. ‘Aanpassen van het materiaal op nanoschaal bleek niet werkbaar’, zegt Sharma. ‘Daarom richtten we ons op een iets grotere schaal.’

Met behulp van geavanceerde ontwerpmethoden en 3D-geprinte roosterstructuren creëerden ze zo een architectuur die krachten op nieuwe manieren omzet in elektrische signalen. Waar conventionele materialen slechts een beperkt aantal elektromechanische koppelingen benutten, kan dit metamateriaal in theorie alle achttien piëzo-elektrische coëfficiënten activeren.

Minder hinderlijke ruis

‘De sleutel was de inzet van machine learning’, zegt Sharma. ‘De ontwerpmogelijkheden zijn zo talrijk, dat we anders jaren bezig waren geweest om de juiste architectuur te vinden.’

Volgens de onderzoekers oogst het nieuwe materiaal in verhouding bijna de helft meer energie dan piëzo-eletrisch metamateriaal van keramiek. Het kan bovendien krachten uit één specifieke richting detecteren, terwijl signalen uit andere richtingen worden onderdrukt. 

Dat is met name nuttig voor gebruik in sensoren, omdat er minder hinderlijke ruis doordringt. Ook vertoont het materiaal zogeheten auxetisch gedrag: het zet uit wanneer het elektrisch wordt aangestuurd, een zeldzame eigenschap bij piëzo-elektrische materialen.

Brede toepassingsmogelijkheden

De onderzoekers zien brede toepassingsmogelijkheden. In de medische technologie kan het loodvrije en biocompatibele materiaal bijdragen aan veiligere en nauwkeurigere ultrasone systemen en slimme implantaten. 

In maritieme omgevingen biedt het betere prestaties onder hogedruk, wat kan helpen bij bijvoorbeeld onderwatermonitoring. Ook de luchtvaart is zeer geïnteresseerd in de combinatie van hoge prestaties en laag gewicht.

Sharma wijst er wel op dat dit onderzoek nog tamelijk fundamenteel van aard was. ‘Maar inmiddels zijn we al bezig aan vervolgonderzoek’, zegt hij. ‘Daarbij willen we vaststellen hoe het nieuwe materiaal zich gedraagt onder verschillende belastingen.’

Beeld: TU Delft