Nieuw materiaal brengt 250 jaar oude bouwprincipes aan het wankelen
Onderzoekers van het Leiden Institute of Physics en FOM-instituut AMOLF maakten een rubberen staaf die bij minder druk juist sneller doorbuigt. Een artikel over het onderzoek, in samenwerking met Harvard University, verscheen op 21 juli in Physical Review Letters.
Gaatjespatroon
Rechts: Het zelfversterkende effect waarbij de metamaterialen staaf sneller buigt bij afnemende druk.
De staaf is gemaakt van metamateriaal, met bijzondere eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Het metamateriaal vormt een rubberen staaf van ongeveer 20 centimeter met daarin een patroon van elliptisch gevormde gaatjes. De gaatjes geven de metastaaf een bijzondere eigenschap. De onderzoekers merkten dat bij een bepaalde mate van druk op een omslagpunt een zelfversterkend effect optreedt: de staaf buigt steeds verder door terwijl de druk juist afneemt. Groepsleider Martin van Hecke: “Het is net als bij het duwen van een auto. Je verwacht dat je harder moet duwen om de auto sneller te laten gaan, maar hier hebben we een situatie waarbij de auto steeds harder gaat terwijl je zachter duwt.”
Buigen op maat
De onderzoekers gingen op zoek naar de oorzaak voor dit zelfversterkende effect. Ze ontdekten dat de staaf van metamateriaal bij een geringe druk makkelijk indrukt, maar moeilijk uitrekt. Bij normale materialen zonder gaatjes is dit verschil tussen trekken en duwen alleen zichtbaar bij een grote druk. Deze gevoeligheid voor het verschil tussen trekken en duwen veroorzaakt het vreemde effect tijdens het buigen van de metamaterialen staaf. De vorm en de plaats van de gaatjes bepalen nauwkeurig het moment waarop dit effect optreedt. Zo kunnen de onderzoekers de eigenschappen van het materiaal op maat maken, door het wijzigen van het gaatjespatroon.
Oude bouwprincipes
De komst van de staaf van metamateriaal brengt eeuwenoude bouwprincipes aan het wankelen. De relatie tussen buiging en druk is 250 jaar geleden vastgelegd door Leonhard Euler in zijn universele wet over de elastische instabiliteit van staven. Zijn theorie vormt sinds die tijd de basis voor het bouwen van huizen en bruggen. Euler ging ervan uit dat een materiaal alleen onder hoge druk een verschil laat zien tussen trekken en duwen. De metamaterialen staaf laat zien dat het anders kan en opent daarmee de deur voor nieuwe ontwikkelingen. Groepsleider Martin van Hecke: “Bruggen bouwen met de staaf van metamateriaal zal niet gebeuren, maar het is goed denkbaar dat een robotarm dankzij mechanische schakelaars gebaseerd op dit materiaal slimmer kan buigen.”
Video
Artikel
Discontinuous Buckling of Wide Beams and Metabeams
Corentin Coulais, Johannes T. B. Overvelde, Luuk A. Lubbers, Katia Bertoldi en Martin van Hecke, Physical Review Letters, 21 juli 2015