When scale matters, is de titel van een nieuw verschenen wetenschappelijk artikel over metamateriaal – materiaal waarvan de inwendige structuur door ingenieurs is ontworpen. Als iets van blokjes metamateriaal wordt gebouwd, bepalen de grootte en vorm van deze blokjes namelijk de eigenschappen van het uiteindelijke resultaat, concluderen de auteurs uit Groningen en Zweden.

Ingenieurs ontwerpen tegenwoordig materiaal op de tekentafel. Vaak bestaat dit uit bouwblokjes (eenheidscellen) van een of enkele millimeters, met een slim verzonnen geometrie. De meetkundige structuur van die blokjes beïnvloedt het gedrag ervan als er krachten op werken, veel meer dan de chemische samenstelling dat doet.

Zo bepaalt de geometrie hoeveel de eenheidscellen samenpersen als er druk op wordt uitgeoefend en hoeveel breder ze dan worden. In sommige gevallen reageert het materiaal zelfs contra-intuïtief. Dan krimpt het als er aan wordt getrokken, of gaat het draaien als je erop drukt.

Mechanical architected material heet dit materiaal, of, in goed Nederlands: metamateriaal.

Samenspel van dimensies

Als met meerdere blokjes metamateriaal iets wordt gebouwd, bijvoorbeeld een botimplantaat, een stent of een autobumper, ontstaat een samenspel tussen verschillende dimensies: die van ontworpen eigenschappen van de eenheidscellen en die van de grootschaliger structuur van het te bouwen object.

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen, het Universitair Medisch Centrum Groningen (UMCG) en de Karlstad Universiteit in Zweden deden een systematisch onderzoek naar het effect van de grootte en vorm van gebruikte blokjes metamateriaal in een grotere structuur, als die wordt onderworpen aan duwende, schuivende en draaiende krachten. Met name de grootte en het aantal van de cellen hebben invloed op materiaaleigenschappen van het uiteindelijke object, zoals sterkte en elasticiteit, schrijven zij in het wetenschappelijke tijdschrift Small Structures.

Beter dan titanium

Op dit moment zijn botimplantaten meestal gemaakt van een titaniumlegering. Die is veel stijver dan het bot zelf, waardoor bijvoorbeeld kaakimplantaten het grootste deel van de belasting van kauwen of praten op zich nemen. Het stijve titanium vermindert zo de belasting op het resterende bot, dat daardoor verzwakt, zoals in een nieuwsbericht van de Rijksuniversiteit Groningen wordt uitgelegd.

Met een metamateriaal is dat op te lossen: daarmee kan de stijfheid van het implantaat worden afgestemd op die van het bot. Het bot en het implantaat delen dan de belasting, waardoor het bot sterk blijft.

Andere voor de hand liggende toepassingen voor flexibele en aanpasbare metamaterialen zijn bijvoorbeeld orthopedische hulpstukken (zoals steunzolen), implantaten voor de ruggengraat, robotarmen of autobumpers – die veel energie moeten kunnen absorberen.

Betrouwbaardere voorspelling

Hoewel mechanical architected material al een tamelijk vergevorderd onderzoeksveld is, is het gebruik van metamaterialen in de praktijk nog zeer beperkt, zegt materiaalkundige Anastasiia Krushynska van de Rijksuniversiteit Groningen, een van de auteurs van het onderzoeksartikel desgevraagd.

‘Er zijn wel veel studies gedaan in het lab, maar toepassingen in de echte wereld zijn schaars. Ons team kent bijvoorbeeld geen voorbeelden van het klinisch gebruik van implantaten van metamateriaal. Dit onderzoek vormt daarvoor een eerste stap.’

De onderzoekers trokken hun conclusies uit berekeningen met computermodellen, die ze controleerden aan de hand van experimenten. Dat de vorm en de grootte van de eenheidscellen effect heeft op het materiaal is geen nieuw inzicht, maar een volledig, systematisch overzicht van die effecten ontbrak tot nu toe. Dat is er nu dus wel.

Krushynska: ‘En dat maakt een preciezere en betrouwbaarder voorspelling mogelijk van hoe een bepaalde structuur op allerlei krachten reageert.’

Openingsbeeld: Enkele van de bij het onderzoek gebruikte 3D geprinte blokken metamateriaal, bestaande uit verschillende typen eenheidscellen. Beeld Shantanu Nath, Rijksuniversiteit Groningen.