Onderzoekers van Harvard hebben een bouwmethode bedacht voor metamaterialen die van vorm kunnen veranderen en daarmee in één klap andere eigenschappen krijgen. De methode is te gebruiken voor het ontwerpen van materialen op nanometerschaal, maar werkt net zo gemakkelijk voor meters grote bouwwerken.


Een metamateriaal is op zichzelf al vreemd; zijn eigenschappen hangen niet af van de chemische samenstelling, maar van de zich herhalende structuur die hij heeft. Zo zijn er metamaterialen die geluid ombuigen of dempen (lees: ‘Mysterie metamateriaal’), materialen die licht om een voorwerp heen vouwen (en het dus “onzichtbaar” maken) en metamaterialen die hologrammen maken met geluid (lees: ‘Legosteentjes vormen akoestisch hologram’).
 

Vlakken en scharnieren

Nu zijn er ook metamaterialen die eenvoudig van structuur kunnen veranderen. Hoe dit kan met behulp van stijve vlakken en scharnieren, laten onderzoekers van Harvard University zien in tijdschrift Nature (artikel ‘Rational design of reconfigurable prismatic architected materials’). Zij demonstreren een bouwmethode voor verschillende varianten van metamateriaal.

Het aantal mogelijkheden voor het ontwerpen van een metamateriaal is zo ongelooflijk groot, dat ontwerpers bij Harvard de hulp van wiskundigen moesten inroepen om er wat ordening in aan te brengen. ‘We hebben een manier gevonden om ontwerpregels op te stellen en daarmee snel een hele berg interessante ontwerpen te genereren’, aldus hoogleraar prof.dr. Katia Bertoldi in een persbericht van Harvard University.
 

Verschillende veelvlakken

Het team ontdekte dat het combineren van verschillende veelvlakken leidt tot zichzelf herhalende structuren. In de praktijk zijn die te vervaardigen met dunne wandjes die met elkaar zijn verbonden via scharnieren. ‘We hebben eigenlijk een blauwdruk getekend voor het maken van nieuwe materialen’, aldus eerste auteur van het artikel, de Nederlander dr.ir. Bas Overvelde (inmiddels werkzaam bij onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam).

De onderzoekers testten hun methode ook. Ze gingen aan de slag met karton en dubbelzijdig plakband. Dat levert prachtige filmpjes op die mooi inzichtelijk maken hoe een materiaal van structuur verandert:


 

 

 

 

‘De kracht van ons model is dat het compleet schaalbaar is’, aldus Overvelde. ‘Het maakt niet uit of het uiteindelijke materiaal meters hoog is of juist op nanometerschaal zit.’ Er zijn dan ook allerlei toepassingen te verwachten van de beschreven bouwmethode; van architectuur tot fotonica.

 


Beeldmateriaal: Harvard University