‘Groter is anders’ – zicht op de bijzondere fysica van mechanische metamaterialen

Mechanische metamaterialen blijken nog meer verrassingen in petto te hebben bovenop hun ongebruikelijke eigenschappen zoals vormtransformatie en programmeerbaarheid. Als de materialen een slag groter zijn, gelden er nieuwe spelregels. Dit ontdekten onderzoekers van AMOLF en collega’s van de Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam (UvA). Ze publiceren hun bevindingen op 25 september in Nature Physics.

“Bij gewone materialen, zoals een elastiekje, begrijpen we wat er gebeurt als je het groter maakt”, zegt eerste auteur Corentin Coulais. “Als het elastiekje twee keer langer is, dan is het dubbel zo makkelijk om het uit te rekken. Dat is basismechanica. Maar mechanische metamaterialen zijn anders. Daar kan precies het tegenovergestelde gebeuren. Zo ontdekten we dat een lange metastrip juist stijver kan zijn dan een korte.”

Tot nu toe was het onderzoek naar metamaterialen gericht op relatief kleine systemen, waarbij aspecten zoals programmeerbaarheid goed voor de dag komen. “Maar we vermoedden al dat er bij grotere systemen andere effecten zouden optreden,” zegt Coulais. “Daar hebben we nu uitgebreid naar gekeken.”

Karakteristieke lengteschaal

Als postdoc in de groep voor Mechanische Metamaterialen van AMOLF-groepsleider Martin van Hecke nam Coulais samen met de Leidse masterstudent Chris Kettenis een relatief simpele strip metamateriaal onder de loep. Dit eendimensionale metamateriaal, opgebouwd uit stijve elementen die een klein beetje ten opzichte van elkaar kunnen draaien, bleek bij verdubbeling van lengte onverwacht stijver te worden. Dit opmerkelijke schaaleffect treedt ook op bij de complexere twee- en driedimensionale materialen.

Het team stuitte ook op een karakteristieke lengteschaal die de overgang van klein naar groot markeert. Coulais: “We zien dat boven deze schaal de speciale functionaliteit van het metamateriaal als het ware gaat slijten. De bijzondere effecten van de geometrische structuur raken dan uitgesmeerd.”

Coulais benadrukt dat uitsluitend het ontwerp van het metamateriaal aan de karakteristieke lengteschaal ten grondslag ligt. Denk bijvoorbeeld aan de invloed van de flexibiliteit van de scharnierpunten tussen de vierkanten. De intrinsieke eigenschappen van het rubber waar het metamateriaal uit bestaat doen niet ter zake. “Het is echt een nieuw natuurkundig fenomeen dat we inmiddels ook met de computer hebben gemodelleerd.”

Nieuwe ontwerpmogelijkheden

Het is duidelijk dat ontwerpers van metamaterialen rekening dienen te houden met de karakteristieke lengteschaal. Maar het is niet zo dat het de mogelijkheden beperkt, stelt Coulais. “Integendeel. De nieuwe fysica zoals we die nu in Nature Physics beschrijven introduceert zelfs allerlei nieuwe mogelijkheden.”

Zo kwam er nog een andere consequentie van de schaaleffecten aan het licht. Als het materiaal groter is, zorgt een kleine verschuiving van het drukpunt ervoor dat de respons van het materiaal compleet verandert. Dit biedt kansen om materialen te ontwerpen die verschillende soorten gedrag in zich verenigen. Denk aan een materiaal dat zowel flexibel als stijf kan zijn, afhankelijk van hoe je het inklemt.

Coulais heeft inmiddels een positie aan het Institute of Physics van de UvA, waar hij zijn pionierswerk voortzet in een eigen onderzoeksgroep. “Er valt nog heel veel te ontdekken aan deze bijzondere materialen.”

Referentie

Corentin Coulais, Chris Kettenis and Martin van Hecke, A characteristic length scale causes anomalous size effects and boundary programmability in mechanical metamaterials, Nature Physics, 25.09.17 online | Doi: 10.1038/nphys4269