I en inte alltför avlägsen framtid, det kan vara möjligt att 3D-skriva ut nästan vad som helst. Tänk på vanliga skrivare, som "syntetiserar" tusentals färger med bara tre färgpatroner. I analogi, framtida 3D-skrivare kan kunna syntetisera tusentals olika materialegenskaper med bara en handfull materialpatroner.

Detta koncept inspirerade en grupp forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT) i Tyskland och franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning att utforska en sådan utveckling av en mekanisk egenskap som kallas effektiv statisk komprimerbarhet. Som de nu rapporterar in Tillämpad fysikbokstäver , från AIP Publishing, genom att använda en enda patron är det möjligt att skriva ut ett metamaterial som expanderar i storlek under hydrostatiskt tryck, även om den består av material som normalt krymper under hydrostatiskt tryck. I princip, det finns ingen gräns för det negativa värde som materialets effektiva kompressibilitet kan ta.

"[O] ditt poroelastiska tredimensionella metamaterial, ett konstgjord kompositmaterial som uppvisar egenskaper som inte finns i naturmaterial, expanderar effektivt efter att ha ökat det hydrostatiska trycket hos en omgivande gas eller vätska, "sa Jingyuan Qu, doktorand och forskare vid KIT:s Institute of Applied Physics och Institute of Nanotechnology. "För de flesta material, beteendet är raka motsatsen. Vid första ögonkastet, en negativ komprimerbarhet tycks till och med bryta mot fysikens grundläggande lagar. "

Kärnan i gruppens design för metamaterialstrukturen är en ihålig, 3D-korsstruktur med cirkulära membran i varje ände av korset.

"Akin till en trumma, dessa membran kommer att vrida sig inåt om det yttre trycket är större än trycket i den inneslutna volymen inuti korset, "Qu sa." Genom att korrekt ansluta dessa membran via staplar, och genom att använda åtta sådana tredimensionella kors inom en enhetscell, det är möjligt att erhålla en isotrop effektiv volymökning vid ökning av trycket - en negativ effektiv komprimerbarhet. "

Detta är särskilt spännande arbete, Qu påpekade, eftersom en negativ komprimerbarhet under statiska och obegränsade förhållanden i allmänhet är förbjuden av fysikens lagar.

"Det är instabilt och bryter mot energibesparing, "Qu sa." Tricket med vår struktur är att volymen du kan se ökar när du ökar det omgivande trycket, medan volymen som omges av 3D-tryckt material-en mängd som du inte uppfattar direkt-minskar och gör strukturen både stabil och fysisk. "

En av metamaterialstrukturens speciella egenskaper är en noll negativ effektiv komprimerbarhet, enligt Qu. "Det betyder att metamaterialets effektiva volym helt enkelt inte kommer att förändras, " han sa.

Med framgången med strukturens omfattande modellering, gruppen har redan börjat fullfölja den krävande uppgiften att demonstrera dess tillverkning.

"Vi har beräknat materialets beteende med hjälp av [teknisk simuleringsprogramvara], så materialet har ännu inte tillverkats och mätts experimentellt, "Qu sa." Tillverkning är ett krävande fall för 3D-laser-nanoprintning eftersom de nödvändiga dolda inre volymerna inte tidigare har uppnåtts. "

Att göra ett sådant metamaterial skulle förmodligen inte vara möjligt med konventionella bearbetningstekniker som tenderar att ta bort material för att bygga en struktur. Med en additiv teknik som 3D-utskrift, dock, tillverkning av dolda strukturer och slutna volymer blir möjlig vilket gör detta till ett idealiskt sätt att skapa negativa komprimerbarhetsmetamaterial.