Een gebogen materiaal dat zowel stijf is als goed in het opvangen van schokken. Krediet: D. Dykstra et al.
Loop je liever tegen een bakstenen muur of een matras aan? De meerderheid van de mensen zou deze beslissing als een simpele beschouwen. De hardheid van een bakstenen muur dempt trillingen of schokken niet effectief, terwijl een matras, met zijn zachtheid, dergelijke trillingen uitstekend absorbeert. Interessant is dat op het gebied van materiaalontwerp beide kenmerken wenselijk kunnen zijn.
Materialen moeten in staat zijn om schokken te verdrijven, maar tegelijkertijd voldoende stijfheid behouden om instorting onder aanzienlijke spanning te voorkomen. Een team van onderzoekers van het UvA Institute of Physics heeft nu een manier gevonden om materialen te ontwerpen die beide dingen kunnen.
Gewoonlijk sluiten de twee kenmerken van een materiaal elkaar uit: iets is ofwel stijf, of het kan schokken goed absorberen – maar zelden beide. Als we echter materialen zouden kunnen maken die zowel stijf zijn als goed in het absorberen van schokken, zou er een schat aan potentiële toepassingen zijn, van ontwerp op nanoschaal tot ruimtevaarttechniek.
Een monster van rubber metamateriaal met massa bovenop wordt onderworpen aan excitaties: eerst met toenemende frequenties en daarna met afnemende frequentie. Wanneer onderworpen aan een grote excitatie, buigt het monster. De knik is meer uitgesproken met afnemende frequentie. Credits: Universiteit van Amsterdam
Buigen doet de truc
Een team van onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam heeft nu een manier gevonden om materialen te maken die stijf zijn maar toch goed schokken kunnen absorberen – en, net zo belangrijk, heel licht kunnen worden gehouden.
David Dykstra, hoofdauteur van de publicatie, legt uit: “We ontdekten dat het de kunst was om materialen te gebruiken die in elkaar klikken, zoals dunne metalen platen. Als ze slim worden gecombineerd, worden structuren gemaakt van dergelijke gebogen platen geweldige schokdempers – maar behouden ze tegelijkertijd een grote stijfheid van het materiaal waaruit ze zijn gemaakt. Bovendien hoeven de platen niet heel dik te zijn, waardoor het materiaal relatief licht kan worden gehouden.”
De afbeelding (bovenaan het artikel) toont een voorbeeld van een materiaal dat dit buigen van metalen platen gebruikt om al deze wenselijke eigenschappen te combineren.
Een metaalmonster met een massa erop wordt aan excitaties onderworpen: eerst met toenemende frequenties en daarna met afnemende frequentie. Wanneer onderworpen aan een grote excitatie, buigt het monster. De knik is meer uitgesproken met afnemende frequentie. Credits: Universiteit van Amsterdam
Veel apps
De onderzoekers hebben de eigenschappen van deze gebogen materialen grondig onderzocht en ontdekten dat ze allemaal deze magische combinatie van stijfheid en het vermogen om schokken te verdrijven vertoonden. Omdat bekende materialen niet deze gewenste combinatie van eigenschappen hebben, zijn nieuwe laboratoriummaterialen (of[{” attribute=””>metamaterials) have a very wide range of potential applications, and at a very wide range of scales.
Possible uses range from meter-sized (think of aerospace, automotive applications, and many other civil designs) to the microscale (applications such as microscopes or nanolithography).
Dykstra: “Humans like to build things – small things and big things – and we almost always want these structures to be light. If that can be done with materials that are both stiff and good at shock-absorbing, many existing designs can be improved and many new designs become possible. There really is no end to the possible applications!”
Reference: “Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping” by David M.J. Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier and Corentin Coulais, 18 May 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202301747
