Under sin doktorandforskning vid Harvard University, AMOLF gruppledare Bas Overvelde utvecklade en smart metod för att designa och undersöka nya metamaterial. För sådana material bestämmer mikrostrukturen funktionen, snarare än den molekylära kompositionen. Det ideala metamaterialet ändrar form självständigt för att uppnå önskad funktionalitet. Overvelde och hans amerikanska kollegor utvecklade en verktygslåda för att designa sådana metamaterial som kan anta olika former på ett sätt som påminner om origami. De publicerade sin forskning den 19 januari 2017 i Natur .

När det gäller många metamaterial, den unika mikrostrukturen är det som gör dem idealiska för en specifik uppgift, till exempel avböjning eller ledning av ljus eller ljud, eller dämpande vibrationer. "Vårt ideal var att designa metamaterial som kan anta olika tredimensionella strukturer och därför har anpassningsbar funktionalitet, "säger Bas Overvelde, som doktorerade 2016 under handledning av professor Katia Bertoldi vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Origami-liknande

Overvelde och Bertoldi samarbetade med designers för att utveckla en strategi för att systematiskt hantera designen av omkonfigurerbara metamaterial. Grundformen i designen är en vanlig polyeder, där fyrkantiga eller rätvinkliga ytor alltid placeras på revbenen så att det uppstår en tredimensionell struktur som påminner om en vikt origami-form. Overvelde:"Strukturen kan vikas i kanterna mellan två ytor. Förhållandet mellan ytornas styvhet och viklinjerna bestämmer beteendet hos det slutliga metamaterialet och därför hur enkelt materialet kan ändra form."

Styvhet

Forskarna utvecklade en modell där de använde enkla matematiska former för att designa en mängd olika strukturer och identifiera deras möjliga konfigurationer. För vissa metamaterial som erhållits med hjälp av deras designstrategi, forskarna byggde 3D-strukturer med kartongytor och viklinjer av dubbelsidig tejp. Även om dessa modellstrukturer endast var avsedda att illustrera konceptet, de visade ändå tydligt de imponerande sätten på vilka dessa material kan ändra form.

"Styrkan i vår modell är att den är helt skalbar, "säger Overvelde." Det spelar ingen roll om det slutliga materialet är meter högt eller på nanometers skala. Så länge förhållandet mellan ytornas styvhet och gångjärnen förblir konstant, formen - och därför funktionaliteten - förändras på samma sätt. "

Skalbarhet innebär också att dessa metamaterial har många möjliga tillämpningar:från programmerbara fotoniska material i nanometerskalan till meterhöga arkitektoniska konstruktioner. Overvelde:"Specialister kan använda vår verktygssats för att designa metamaterial för deras specifika disciplin."

Sensorer

Efter sin doktorandforskning startade Overvelde gruppen Soft Robotic Matter på AMOLF, där han vidare undersöker formförändringarna i metamaterial. "Genom att använda aktiva element och sensorer behöver krafterna som får ett metamaterial att ändra form inte appliceras externt utan realiseras internt, "säger han." Genom att kombinera kunskap från robotik och metamaterial kan vi designa material som reagerar aktivt och olinjärt på miljön. "