Figuur 4 (a) Een metakubus. (b) Wanneer we dit materiaal van boven indrukken zien we dat de zijkanten ook naar binnen bewegen – dit 3D materiaal heeft een negatieve Poissonratio!
kan het materiaal bovendien weer in zijn oorspronkelijke vorm worden teruggebracht nadat de energie gedissipeerd is - iets wat bij een autobumper heel wat lastiger is! 3D
Kunnen we zulk soort materialen ook in drie dimensies bouwen? Dit is minder eenvoudig dan het lijkt een metamateriaal met daarin bolvormige holtes op een kubusvormig rooster vertoont bijvoorbeeld geen collectieve patroontransformatie. Dit heeft te maken met het verschillende karakter van rotaties in twee en drie dimensies. De patroonformatie die we in Figuur 1 zagen heeft te maken met het draaien van de rubbereilandjes tussen de gaten, waarbij buureilandjes precies tegen elkaar indraaien. In drie dimensies is het veel lastiger om draaiingen in alle drie richtingen aan elkaar te verknopen. Het zal niet verbazen dat er tot nu toe veel minder mechanische metamaterialen in 3D dan in 2D bekend zijn. Figuur 4 laat een metakubus zien waar alle eenheidscellen parallel liggen. Onder compressie wordt een patroon van ellipsvormige gaten gevormd. De crux is de eenheidscel: als je op de bovenkant van deze eenheidscel drukt, zetten de zijkanten allemaal uit, en vice-versa. Behalve de simpele metakubus uit Figuur 4 zijn er ook allerlei aperiodieke stapelingen waarbij de eenheidscellen niet parallel liggen, maar waarbij er toch een precies passend patroon ontstaat. De regel dat alle ‘in’- en ‘uit’-richtingen precies op elkaar aansluiten, kan vertaald worden naar een zogenaamd spinijsprobleem op een kubisch rooster. Voor een metamateriaal bestaande uit 7x7x7 kubusjes, zijn er precies 17.234.732.991.509.112.246 mogelijkheden waar alles precies past - en nog veel meer mogelijkheden waar het systeem gefrustreerd is. Met een enkele eenheidscel kan je nu een ongelimiteerd aantal verschillende soorten materialen maken.
maken, waarbij de grenzen tussen materiaal, structuur en machine vervagen. Als dat als sciencefiction klinkt, bedenk dan dat levende materie laat zien dat dit wel degelijk mogelijk is. De huidige explosie in de mogelijkheden om materie op alle schalen te controleren, van supramoleculaire chemie tot zelfassemblage en 3D-printing, gekoppeld aan ons steeds grotere begrip van complexe systemen zal leiden tot designer matter met nu nog totaal onvoorstelbare functionaliteiten. Wilde ideeën zijn welkom! ! Referenties [1] M. Kadic, T. Bückmann, R. Schittny, and M. Wegener. Metamaterials beyond electromagnetism. Rep. Prog. Phys, 76, 126501 (2013). [2] R. Lakes. “Foam structures with a negative poisson’s ratio”, Science 235, 1038 (1987) [3] T. Mullin, S. Dechanel, K. Bertoldi, and M.C. Boyce. “Pattern transformation triggered by deformation”, Physical Review Letters 99, 084301 (2007) [4] B.Florijn, C. Coulais and M. van Hecke.“Programmable mechanical metamaterials”, Physical Review Letters 113, 175503 (2014)
Over de auteurs Bastiaan Florijn haalde zijn vwodiploma op de Vrije School in Zutphen en zijn Masterdiploma Natuurkunde cum laude aan de Universiteit Leiden. Hij deed een studieproject aan MIT in de Verenigde Staten en begon in 2012 met het onderzoek naar mechanische metamaterialen. Buiten het onderzoek om mag hij graag windsurfen, hardlopen en lezen. Zijn muzieksmaak, 100%NL, is onderwerp van veel discussie op het lab.
✉
Florijn@physics.leidenuniv.nl
Designer Matter
Mechanische metamaterialen zijn hybride objecten die zich ergens in het spectrum tussen structuren en materialen begeven. Er zijn zeer veel open vragen: bijvoorbeeld, hoe kies je een gatenpatroon als je een bepaalde krachtrespons wil hebben (het inverse probleem)? Wat is het gedrag van aperiodieke en gefrustreerde metamaterialen? Kun je metamaterialen ontwerpen die zichzelf herprogrammeren en zich aanpassen aan hun omgeving? We hebben het hier over simpele passieve materialen gehad, maar je kunt je voorstellen dat je metamaterialen ook actief kunt
Martin van Hecke haalde zijn PhD in Leiden in 1996 en kwam na postdocs in Kopenhagen en Dresden terug naar Leiden om aan wanordelijke zachte materie te werken. Sinds een paar jaar werkt hij voornamelijk aan mechanische metamaterialen en sinds eind 2014 is hij in deeltijd verbonden aan AMOLF, als onderdeel van de nieuwe onderzoeksrichting ‘Designer Matter’.
✉
mvHecke@physics.leidenuniv.nl Eureka! nummer 49 – juni 2015
7