Hopfällbara hundskålar, böjbara medicinska rör och sugrör verkar alla fungera enligt en gemensam princip, in i en mängd olika mekaniskt stabila och användbara tillstånd. Trots de många applikationerna för sådana "designer matter"-strukturer, dock, de grundläggande mekanismerna för hur de fungerar har hittills förblivit mystiska, säger materialforskare vid University of Massachusetts Amherst under ledning av Ryan Hayward.

Nu är han och kollegor inklusive första författaren och Haywards tidigare doktorand Nakul Bende och deras UMass Amherst-kollega teoretiske fysikern Christian Santangelo, med mekaniker James Hanna och studenter vid Virginia Tech, rapporterar att de har listat ut hur dessa "multistabila" strukturer som består av staplade koniska sektioner är belastade med förspänning, uppdämd spänning som uppstår "eftersom materialet tvingas in i en sluten ring som är snävare krökt än det naturligt vill vara, " som Hayward förklarar.

"Vad vi upptäckt är att den mycket användbara egenskapen att vara mekaniskt stabil i en böjd konfiguration verkar kräva förspänning. Så vitt vi är medvetna om, ingen hade någonsin tittat på hur och varför sådana strukturer har stabilitet i böjt tillstånd, " han lägger till.

Han påpekar, "Det kommer att vara till hjälp för oss att förstå denna grundläggande princip, vilket är nyckeln när man designar nya applikationer. Om du ska bygga en omkonfigurerbar enhet, det är viktigt att veta varför det fungerar, och när det kan misslyckas." Detaljer visas i det aktuella onlinenumret av Mjuk materia .

Hayward säger att mekaniken som förklarar förmågan hos korrugerade rör att förlängas och dras ihop i längd är "ganska väl etablerade, " liksom idén att förflyttning av material mellan mekaniskt stabila tillstånd kräver att man övervinner en energibarriär. Leker med en mängd färgglada böjbara rör på sitt skrivbord, han visar att röret håller sin form i båda tillstånden, och att en energibarriär passeras när den dyker in och ut ur varje.

"Mysteriet är varför det här röret med staplade kottar ska vara stabilt i böjt tillstånd, " konstaterar han. "Det finns ingen uppenbar anledning till varför ett böjt sugrör ska vilja vara stabilt när det böjs."

För att experimentera med detta, han och kollegor kapade ett rör på längden för att se vad som skulle hända. Genom att skära av röret, han säger, "vi kom på att röret skulle öppnas och plattas till, vilket var ett oväntat ögonblick. Det var något vi var tvungna att gå tillbaka och försöka förstå. Det var nyckeln till att upptäcka rollen av förstress. Vi upptäckte att när du slappnar av krökningen, bristen på lagrad energi eliminerar stabilitet i böjt tillstånd. Vi byggde också några rör som vi tvingade stänga med en mindre radie, att införa förstress, och fann att detta återställde förmågan att hålla en böjd form."

De analyserade denna "förspännings"-effekt genom krökningsanalys under deformation med hjälp av röntgendatortomografi och med en enkel mekanisk modell som fångade det kvalitativa beteendet hos de mycket omkonfigurerbara systemen.

Författarna påpekar att "Många biologiska mekanismer har upptäckts som utnyttjar snap-through-övergångar mellan mekaniskt stabila tillstånd av smala elastiska strukturer för att uppnå snabb rörelse. Medan mycket av litteraturen har fokuserat på bistabilitet, system som stöder flera stabila tillstånd är attraktiva för design av mycket omkonfigurerbara strukturer, " som de de rapporterar om.