Dit metamateriaal krimpt óf zet uit als je erop drukt

Onderzoekers aan de Universiteit van Amsterdam ontwierpen een metamateriaal dat twee controleerbare eigenschappen heeft. Dat is bijzonder, want de meeste van deze materialen hebben maar een zo’n eigenschap, of juist oneindig veel. Het materiaal lijkt geschikt om gebouwen bestendig te maken voor aardbevingen.

Metamaterialen zijn bijzondere materialen. Ze reageren vaak niet zoals je in eerste instantie verwacht. Dat komt niet door hun chemische samenstelling maar door hoe het materiaal in elkaar zit, door de geometrische structuur; bijvoorbeeld met een bijzonder patroon van gaten.

Bijzondere eigenschappen

Het meest bekende voorbeeld is een blokje dat niet uitstulpt, wat normaal is, maar indeukt aan de zijkanten, wanneer je de boven- en onderkant induwt. Andere voorbeelden zijn een twist of een materiaal dat onder druk uitzet, iets dat heel tegenintuïtief is.

De meeste metamaterialen hebben maar één van deze bijzondere eigenschappen. Sommige materialen hebben juist een eindeloze reeks aan eigenschappen, waardoor ze in de praktijk niet zo bruikbaar zijn. Je weet immers nooit precies hoe het materiaal zal reageren; het gedrag is niet goed te voorspellen.

Beter voorspelbaar materiaal

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam vroegen zich af of er iets tussen deze twee uitersten in zit. Kun je een metamateriaal ontwerpen dat meer dan één eigenschap bezit, en waarbij je kunt kiezen hoe het reageert door de manier waarop je eraan duwt of trekt. Tegelijk moet het aantal mogelijkheden niet oneindig zijn, zodat je een beter voorspelbaar materiaal krijgt.

‘We willen graag meerdere eigenschappen, maar wel een goede controle daarover. We zoeken de sweet spot hierin’, zegt groepsleider Corentin Coulais. Hij ontwierp al eerder een materiaal dat zichzelf altijd goed opvouwt.

Puzzelstukjes

De onderzoekers ontwierpen met de computer een vierkant bouwsteentje dat op twee manieren kan vervormen als je erop duwt. Eerdere bouwstenen vervormden maar op één manier. Met deze puzzelstukjes kun je een vlak, vierkant metamateriaal leggen als een puzzel. Elk puzzelstukje kan op meerdere manieren gedraaid en gelegd worden, zodat je elke keer een ander resultaat krijgt.

Vervolgens berekenden ze voor een aantal van de vele mogelijke uitkomsten welke eigenschappen het materiaal zou krijgen. Zo kwamen ze op een ontwerp dat twee eigenschappen bezit – zogeheten modes – in plaats van één.

Krimpen en uitzetten

Het materiaal ook werkelijk fabriceren is simpel: met een 3D-printer ligt er binnen korte tijd een matje rubberachtig materiaal waaraan de onderzoekers kunnen meten of hun berekening klopt. De puzzelstukjes zijn daarin aan elkaar gemaakt met flexibele scharnieren. In de video die ze maakten (hierboven te zien), geven de verschillende kleuren aan dat de vervorming van het materiaal afhankelijk is van de manier waarop je erop duwt.

Eigenschap sturen

Ze gingen nog een stap verder: door een deel van de verbindingen tussen de bouwsteentjes van een ander soort materiaal te maken kunnen de onderzoekers sturen welke eigenschap je activeert. Sommige van de elastische verbindingen vervingen ze door zogeheten viscoelastische verbindingen. De vervorming daarvan hangt af van de snelheid waarmee je er kracht op zet.

Zo verkregen ze een materiaal dat krimpt als je er langzaam op drukt en juist uitzet als je er snel op drukt. ‘Het was een verrassing voor ons dat we daadwerkelijk een materiaal konden ontwerpen met twee eigenschappen’, zegt onderzoeker David Dykstra. Het onderzoek van Dykstra, Coulais en collega's verscheen deze week in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

Binnen een paar uur heeft een 3D-printer dit metamateriaal gemaakt.

Aardbeving

De structuur van hun nieuwe materiaal zou geschikt kunnen zijn in aardbevingbestendige bouw, zeggen de onderzoekers. Een gebouw moet namelijk anders reageren op de trillingen die het dagelijks gebruik met zich meebrengt, dan op de grote schokken tijdens een aardbeving.

Ook voor kreukelzones in voertuigen zou het exotische materiaal wellicht geschikt kunnen zijn, zegt Dykstra. ‘Met onze computermodellen ontwierpen we bijvoorbeeld al een metalen metamateriaal met lagen die toenemend vervormen, zoals in een kreukelzone. Dat zagen we ook gebeuren toen we een flinke klap gaven op het materiaal. Metalen metamaterialen met twee eigenschappen zouden geschikt kunnen zijn in kreukelzones. Daarbij vervormt het materiaal de ene keer flexibel, bij een milde klap om de schok te absorberen. En op een ander moment - bij een harde botsing - zou het veel stijver kunnen vervormen, zodat het meer energie kan absorberen.'

De onderzoekers in Amsterdam hebben dus een soort 'gereedschapskist' gemaakt met nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen. ‘Daarmee kunnen ingenieurs, bouwkundigen en ontwerpers aan de slag.’