Hee, dat is gek. Deze structuren worden korter wanneer je eraan trekt. De betrokken natuurkundigen van AMOLF en ARCNL zien tal van technische toepassingen.

 

Het is een basisgegeven in de materiaalkunde: trek ergens aan, en het wordt langer. Het ene materiaal geeft meer mee dan het andere, maar altijd zal de vervorming plaatsvinden in de richting waarin de kracht wordt uitgeoefend.

Maar wacht eens even, zeggen onderzoekers van de instituten AMOLF en ARCNL in Amsterdam, volgens ons kan het ook andersom. Ze ontwierpen een mechanisme dat een materiaal juist korter maakt wanneer eraan wordt getrokken. Ze noemen het ‘counter-snapping’ – omklappen, maar dan in onverwachte richting.

Paraplu

Het gewone omklappen kent iedereen wel, vertelt Bas Overvelde van AMOLF. ‘Een paraplu die ineens omklapt bij hevige wind. Dat is onstabiel gedrag dat komt door het ontwerp.’ Maar wat Overvelde en collega’s presenteren in een artikel dat deze week verscheen in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), is omklappen in tegengestelde richting.

De onderzoekers maakten een mooie video van hun mechanisme:

These structures shrink when pulled: Counter-snapping instabilities

Bouwstenen

Het principe voor dit mechanisme hebben ze niet zelf verzonnen. Meer dan tien jaar geleden publiceerden natuurkundigen al een artikel over het principe, maar dat was nog zuiver theoretisch. ‘Er was toen discussie over of dit effect wel te vertalen zou zijn naar de praktijk’, zegt Overvelde. ‘Vier jaar geleden zijn wij begonnen met het ontwikkelen van het mechanisme. We hebben de benodigde bouwstenen stukje voor stukje ontwikkeld.’

De drie bouwstenen los van elkaar. Foto: AMOLF

Getest als simulatie

Dat vond in eerste instantie plaats in een simulatieomgeving. ‘Dat is nodig omdat het nauw luistert; die drie verschillende bouwstenen moeten heel precies samenwerken.’ Uiteindelijk leidde deze aanpak tot wel vijfhonderd verschillende combinaties van bouwstenen, die allemaal werden getest als simulatie. ‘Daar rolden zo’n tien combinaties uit die zouden moeten werken in de praktijk.’

‘Het voelt gek’

Het terugtrekkende effect is weliswaar bewezen, maar is wel maar klein, zegt Overvelde. ‘Het voelt heel gek. Ineens wordt het ding korter. Dat ben je helemaal niet gewend, dat iets korter wordt wanneer je er aan trekt.’

Wegennetwerken

Hóe het werkt, is ook bekend: eerst loopt de belasting langs één lijn, en bij de overgang – de snap – schiet het systeem naar een belasting over twee veren. ‘Eerst is er sprake van seriebelasting, daarna van parallelbelasting’, zegt Overvelde. Hij maakt de vergelijking met een tegen-intuïtief verschijnsel dat bekend is van wegennetwerken. ‘Soms gaat de doorstroming door een bepaald gebied beter wanneer een weg tijdelijk dicht gaat. Verkeer verdeelt zich dan over de twee andere wegen, waardoor het beter doorstroomt.’

Schokdempers

Hoewel de wetenschappers bij AMOLF en ARCNL vooral fundamenteel onderzoek doen, kunnen ze zich verschillende praktische toepassingen voorstellen. De eerste waar ze aan denken, is demping. Neem bijvoorbeeld de schokdempers van een auto. Met dit nieuwe systeem zouden de schokdempers uit zichzelf kunnen switchen tussen twee verschillende stijfheden, zegt Overvelde. ‘Voor een gladde weg en voor hobbelig terrein.’

Proef met een bekerglas dat druppelsgewijs wordt gevuld met water. Op een bepaald moment 'snapt' het mechanisme en wordt het korter. Foto: AMOLF

Switchen tussen flexibel en stijf

Waar demping ook nuttig kan zijn, is bij het aardbevingsbestendig maken van gebouwen, of het wegnemen van de resonante trilling van een brug in de wind (zie de video). En het switchen tussen twee verschillende stijfheden lijkt de onderzoekers bruikbaar in exoskeletten of prothesen, waarvan een onderdeel bijvoorbeeld doorgaans flexibel mag zijn, maar op een ander moment stijf moet zijn voor ondersteuning.


Openingsbeeld: het mechanisme van AMOLF- en ARCNL-onderzoekers. Foto: AMOLF