Metamaterial har egenskaper som beror på deras form och arkitektur. Forskare vid AMOLF, Leiden University och Tel Aviv University har hittat ett nytt sätt att designa dessa metamaterial och deras egenskaper genom att medvetet införliva små fel. De har publicerat sina resultat i Naturfysik .

Vad är skillnaden mellan ett pappersark och ett skrynkligt papper? Båda är gjorda av samma material, men ett pappersark är platt och diskett, medan en skrynklig boll är stel och sfärisk. Så att skrynkla ihop ett papper, ändrar dess egenskaper. "Vi kallar papper ett mekaniskt metamaterial:Genom att ändra dess form, materialet förvärvar olika egenskaper, säger Anne Meeussen. Men hur, exakt, ändrar man formen för att få speciella egenskaper?

Introducerar fel

Den senaste idén kommer från ett samarbete mellan AMOLF, Leiden University och Tel Aviv University. Anne Meeussen, Erdal Oğuz, Yair Shokef och Martin van Hecke undersökte avsiktlig införlivande av ett litet fel i ett material, en topologisk ofullkomlighet, att observera dess effekter. "Vi byggde en struktur som visar ett märkligt beteende när den inte trycks på en, men två poäng. Genom att göra det, du kan styra krafter och deformationer till olika platser. Ett sådant material kan användas för applikationer där inre krafter och deformationer måste koordineras. Dessa sträcker sig från skosulor och proteser till mjuka robotar."

Små fel i ett material påverkar dess egenskaper. Dock, den kontrollerade infogningen av ett litet fel i ett metamaterial är inte så enkelt. Teamet tog fram ett platt material som består av triangulära pusselbitar vars sidor kan bli antingen konkava eller konvexa. Med hjälp av en 3D-skrivare, forskarna gjorde en riktig version av det teoretiska materialet:en matta av små stavar sammanlänkade med flexibla gångjärn. Detta gjorde att de kunde känna vad som händer när strukturen kläms. I ett perfekt material, pusselbitarna passar exakt ihop så att konkava sidor bara finns bredvid konvexa sidor. När de två sidorna trycks in, mattan deformeras lätt och känns mjuk.

Märkliga effekter

Men vad händer om du roterar en rad med pusselbitar på ett sådant sätt att de inte längre får plats? "Vi kallar det en topologisk ofullkomlighet, " förklarar Meeussen. "Du kan inte bara lösa den ofullkomligheten genom att rotera tillbaka en enda pusselbit." I metamaterialet som Meeussen designade, en sådan topologisk ofullkomlighet får ovanliga konsekvenser. Att pressa det ofullkomliga materialet från två sidor ger en mjuk halva som deformeras och en hård halva som förblir styv. Att klämma på lite olika punkter gör att halvorna byter:mjukt blir hårt och hårt blir mjukt.

Meeussen säger, "En sådan asymmetrisk effekt av en topologisk ofullkomlighet har aldrig tidigare visats. Vi har upptäckt hur man kan införliva dessa ofullkomligheter på ett kontrollerat sätt, och vi har formulerat allmänna regler för att göra det. Därför, alla kan arbeta med detta koncept. Det är ett nytt sätt att se på mekaniska metamaterial, eftersom vi tillämpar begrepp från kondenserad materia och matematik. Det är spännande att se att det finns ett intresse för våra resultat inom alla dessa discipliner."