Amsterdam/Leiden
2 aug. 2015
2 minuten
Onderzoekers van het FOM-instituut Amolf en het Leiden Institute of Physics laten zien hoe een rubberen staaf die onder minder druk komt te staan, juist sneller doorbuigt. Dit gedrag strookt niet met onze verwachtingen en voldoet niet aan eeuwenoude wetten die het buigingsproces voorspellen. De staaf is gemaakt van metamateriaal, oftewel een materiaal met bijzondere eigenschappen die niet in de natuur voorkomen. Door de staaf te voorzien van een zorgvuldig gekozen patroon van kleine gaatjes, wisten de onderzoekers het vreemde gedrag te veroorzaken.
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 metamaterialen staaf 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 metamaterialen staaf 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 metamaterialen staaf zal niet gebeuren, maar het is goed denkbaar dat een robotarm dankzij mechanische schakelaars gebaseerd op dit materiaal slimmer kan buigen”.