Er is een materiaal gemaakt dat onder druk groter wordt. Dat klinkt absurd, maar heeft te maken met de bijzondere wijze waarop het materiaal is opgebouwd: holle cellen die kunnen onder druk verdraaien.

De holle cellen in rust (a), onder druk (b), en in detail (c).

Normaliter wordt het volume van een materiaal kleiner als het onder druk staat. Dat geldt voor bijna alle (vaste) materialen: denk aan gummi bal, maar het geldt ook voor staal, alleen dat nemen we in huis-tuin en keukensitiuaties niet waar. Onderzoekers van het Duitse Karlsruhe Institute of Technology en de Franse Université de Bourgogne Franche-Comté hebben nu een metamateriaal ontwikkeld dat zich precies tegenstrijdig gedraagt: onder druk zet het uit. Ze publiceerden erover in Applied Physics Letters.

Metamaterialen is de verzamelterm voor een groep materialen die is opgebouwd uit microstructuren. Daardoor krijgen die materialen ongewone eigenschappen geven, zoals een negatieve brekingsindex (lees: ‘Mysterie metamateriaal’). Aan de lange lijst met gekke eigenschappen kan nu ook 'negatieve samendrukbaarheid' worden toegevoegd.


Holle kruisvormen

Het materiaal dat de Duitse en Franse wetenschappers maakten bestaat uit holle driedimensionale kruisvormen, met aan de kopse kanten flexibele membranen. Bij een buitendruk gaan die membranen naar binnen. Aan de kruisvormen zitten staafjes, die ervoor zorgen dat de kruisvormen bij het indrukken van de membranen gaan roteren. Het totaalresultaat van de rotaties van alle kruisvormen bij elkaar is dat het geheel gaat uitzetten. En de uitzetting van het geheel is vele malen groter dan de inkrimping die ontstaat door het naar binnen bollen van de kopse kanten van elke afzonderlijke kruisvorm.

De kruisvormen zijn heel klein, in de orde van micrometers. Daarom ziet iemand van een afstandje alleen het gehele volume dat uitzet wanneer er van drie kanten druk op wordt uitgeoefend, bijvoorbeeld met een gas of een vloeistof. Volgens de onderzoekers leidt een overdruk van 1 bar tot een uitzetting van het volume met 1 %.


Niet eenvoudig

Het construeren van het metamateriaal uit polymeer is overigens niet eenvoudig. Vooral de membranen zijn moeilijk te maken, omdat ze heel dun moeten zijn.  De dikte mag niet meer dan 1 % mag zijn van de totale omvang van elke afzonderlijke 'cel', die bestaat uit de driedimensionale kruisvorm en de bijbehorende staafjes. De membranen mogen ook geen gas doorlaten, anders ontstaat er binnen en buiten de holle cellen geen drukverschil.

Nu het is gelukt een materiaal te maken dat onder druk uitzet, kan worden begonnen met de verkenning van een nieuw terrein van nog te bedenken toepassingen.