Forskare vid Institutionen för biomekanisk teknik vid Delft University of Technology har skapat en ny klass metamaterial som dynamiskt kan byta deras mekaniska beteende. Det kan utgöra grunden för praktiska tillämpningar som fallskyddskläder för äldre. Resultaten ska visas i journalen Vetenskapliga framsteg den 17 juni.

Metamaterial är konstgjorda materialstrukturer som härleder sina egenskaper från deras interna mikrostrukturella design, snarare än den kemiska sammansättningen av materialet de är byggda av. Metamaterial kan utformas för att visa exceptionella egenskaper som inte finns i enkla naturmaterial. Till exempel, medan strukturer som komprimeras i en riktning intuitivt förväntas expandera i motsatt riktning, en klass av metamaterial som kallas auxetiska material är målmedvetet utformade för att göra det motsatta.

Mekaniska metamaterialfunktioner

Än så länge, mekaniska metamaterialfunktioner har inte utnyttjat tidsberoende effekter. Detta är förvånande, säger Dr Shahram Janbaz, forskare vid gruppen Biomaterials &Tissue Biomechanics vid TU Delft och första författare till uppsatsen, eftersom många flexibla material som används för att konstruera mekaniska metamaterial, såsom polymerbaserad plast, visa mekaniskt beteende som beror på hastigheten med vilken de deformeras. "Viskoelastiska material, när ansträngd, genomgå långsamma förändringar som tappar energi. Deras mekaniska svar, därför, beror på hur snabbt du deformerar dem. "

Laget, ledd av prof. Amir Zadpoor, ger nu tidsdimensionen till den mekaniska metamaterialverktygslådan, skapa vad som kan anses vara en ny klass av metamaterial som dynamiskt kan byta deras mekaniska beteende.

Teamet konstruerade höga pelare som består av två olika material:ena sidan är gjord av ett material som svarar på hastigheten på deformation medan materialet på den andra sidan inte bryr sig om hur snabbt det deformeras. När en tryckkraft appliceras längs den långa axelriktningen för denna "bi-beam, "Elasticiteten hos båda materialen säkerställer att det inte går sönder utan snarare spännen.

Konstiga egenskaper

Forskarna visade att bi-strålen förutsägbart böjer sig till antingen vänster eller höger sida beroende på kompressionshastigheten. Detta stamhastighetsberoende beteende hos tvåstrålar är nyckeln till att skapa nya material med konstiga egenskaper som inte tidigare setts. "Allt du behöver göra är att hitta ett smart sätt att montera bi-balkar och oddsen är ganska bra att du hittar mekaniskt beteende som aldrig har rapporterats tidigare, säger Zadpoor.

Janbaz förklarar:"Till exempel, vi kopplade två parallella, speglade bi-balkar till varandra genom styva kontakter som en grundläggande enhetscell som kan upprepas i alla riktningar för att skapa en tredimensionell metamaterialgitterstruktur. Vi fann att genom att öka töjningshastigheten, det mekaniska beteendet hos en sådan cell växlade helt från auxetik till konventionellt. "Videor som följer med publikationen visar hur ett galler som består av sammankopplade enhetsceller krymper för låga kompressionshastigheter och expanderar för höga hastigheter.

Ansökningar

En av potentiella tillämpningar av metamaterial som visar ett sådant kopplingsbeteende är skyddet mot fall. Säger Zadpoor, "Tänk dig ett bärbart lager. Under normala omständigheter, den är mjuk och följer kroppens rörelser. När en påverkan inträffar, materialet ändrar sitt beteende, fungerar som en stötdämpare. "Detta kan hjälpa människor som lider av osteoporos, där benfrakturer utgör en stor komplikation.

Forskarna skapade också bi-beam gitter som är programmerade att bli mindre styva om de ansträngs snabbare. Detta beteende kan kallas negativ viskoelasticitet och har inte observerats tidigare i fasta ämnen.

Även om det kan vara svårt att skapa mycket mindre bi-balkar av samma design som de centimeterstora modellsystem som testats här, forskarna ser möjligheter att använda 3D-trycktekniker för att skapa galler av små tvåstrålar.

Forskarna är glada över potentialen i deras tvåstråldesign. "Vi förväntar oss att detta grundläggande element kan användas för att skapa en mängd olika mekaniska beteenden, säger Janbaz.