När vi tar en promenad på stranden går vi på sanden utan problem. Sanden verkar fast och är svår att komprimera. När vi lägger samma sandkorn i ett timglas beter de sig väldigt olika:sanden rinner som en vätska.
Granulära material som sand har många intressanta egenskaper. I labbtillverkade granulära material har forskare hittills kunnat finjustera sina "vätskeflödesegenskaper", men de "fasta" kompressibilitetsegenskaperna har förblivit ganska robusta.
Forskare från universitetet i Amsterdam och från Santiago i Chile har nu lyckats designa nya granulära material som också lätt kan komprimeras, ett resultat som kan ha stor potential i tillämpningar som stötdämpning.
Man kan hitta dem längs hela Japans kust:tetrapoder, enorma fyrbenta betongblock som förhindrar erosion av kuststrukturer. Tillsammans bildar dessa tetrapoder ett granulärt metamaterial:ett granulärt material som sand, men designat och tillverkat av människor. Tetrapods har sin form av en god anledning. De förlängda benen gör det mycket svårt för en hög av dessa block att flyta. I motsats till vanliga stenblock stannar de på sin plats, och som ett resultat gör de vad de var avsedda att göra:förhindrar kustlinjen från att förändras.
Exemplet med tetrapoder visar att det är relativt lätt att göra ett granulärt system som är nästan inkompressibelt och flyter mycket sämre än sand. I andra änden av spektrumet har det visat sig vara väldigt svårt att skapa ett material som är lätt att komprimera och flyter bättre än sand.
På grund av arbetet från forskarna från Amsterdam och Santiago, publicerat i Proceedings of the National Academy of Sciences denna vecka har denna situation nu förändrats – vilket öppnar upp för mycket intressanta möjligheter.
Daan Haver, första författare till publikationen, förklarar, "Inom metamaterials område konstruerar vi geometrin hos ett material på ett sådant sätt att materialet har en önskad respons. Till exempel förväntar vi oss normalt att ett elastiskt band blir tunnare när vi sträcker det.
"I tidigare arbete har forskare visat sätt att göra material som inte blir tunnare när de sträcks utan när de komprimeras, enbart baserat på materialets geometri. Det här exemplet visar att det är möjligt att justera egenskaperna hos ditt material. Vi undrade om vi skulle kunna använda den här idén för att även trimma granulära material."
I labbet gjorde forskarna korn som krymper radiellt när det finns ett yttre tryck. Det betyder att när en packning av dessa korn komprimeras, förblir mängden fritt utrymme mellan kornen ungefär densamma, och som ett resultat av detta förblir kornens flytande beteende liknande det för en vätska.
Haver säger, "Krafterna inuti mediet förblir låga. Därför är packningen inte bara mycket komprimerbar utan kan också flyta bättre. Vi lägger kornen i en tratt. Normalt kommer korn att bilda en blockerande båge. Men när kornen krymper med avseende på öppningens storlek kommer kornen så småningom att flyta.
"Man har alltid trott att granulära material skulle vara svåra att komprimera och att förändringar av korn skulle försämra flytegenskaperna. Med våra nya korn öppnade vi en riktning där vi kan skapa helt olika packningar som är lätta att komprimera och som fortfarande flyter lätt ."
De nya resultaten kan ha stor potential för stötdämpning. Forskarna visade att en metallskiva, när den tappas in i en förpackning av de nya kornen, saktar ner under en lång tidsperiod och knappt studsar tillbaka. Energin från skivans rörelse överförs därmed mer konsekvent och homogent till packningen.
Haver säger, "Föreställ dig, istället för en metallskiva, någon som faller i ett skridskolopp. Effekten på skridskoåkaren när han träffar väggen skulle vara liten om de nya kornen används inuti kudden. Som en stor bonus skulle personen inte studsas tillbaka på banan, vilket gör situationen säkrare för alla inblandade."
Mer information: Daan Haver et al, Elasticity and rheology of auxetic granular metamaterials, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317915121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Amsterdam
