Induzierte Fehler in Metamaterialien können nützliche Texturen und Verhaltensweisen erzeugen

Entdeckung fördert Verständnis von strukturellen Defekten und ihren topologischen Eigenschaften

10.02.2020 - Israel

Während ein Stück Papier normalerweise flach und schlaff ist, ist dasselbe Stück Papier, das zu einem Wattebausch zerknüllt wird, steif und rund. Dies zeigt, dass das Knirschen die Textur und das Verhalten genau desselben Materials - Papier - verändert.

Eine neue Studie der Universität Tel Aviv zeigt, wie induzierte Defekte in Metamaterialien - künstlichen Materialien, deren Eigenschaften sich von denen in der Natur unterscheiden - auch radikal andere Konsistenzen und Verhaltensweisen hervorrufen. Die Forschung hat weitreichende Anwendungen: für den Schutz von zerbrechlichen Komponenten in Systemen, die mechanischen Traumata ausgesetzt sind, wie z.B. Passagiere bei Autounfällen; für den Schutz von empfindlicher Ausrüstung, die in den Weltraum geschleudert wird; und sogar für das Greifen und Manipulieren entfernter Objekte mit einer kleinen Anzahl von lokalisierten Manipulationen, wie z.B. minimal-invasive Chirurgie.

"Wir haben schon früher nicht-symmetrische Auswirkungen einer topologischen Unvollkommenheit gesehen. Aber wir haben jetzt einen Weg gefunden, diese Unvollkommenheiten auf kontrollierte Weise zu erzeugen", erklärt Prof. Yair Shokef von der Fakultät für Maschinenbau der TAU, Mitverfasser der neuen Studie. "Es ist eine neue Art, mechanische Metamaterialien zu betrachten, Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie und der Mathematik zu entlehnen, um die Mechanik von Materialien zu studieren".

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Die neue Forschung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Prof. Shokef und Dr. Erdal Oğuz von der TAU und Prof. Martin van Hecke und Anne Meeussen von der Universität Leiden und AMOLF in Amsterdam. Die Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht. "Da wir allgemeine Designregeln entwickelt haben, kann jeder unsere Ideen verwenden", fügt Prof. Shokef hinzu.

"Wir wurden von LCD-Bildschirmen inspiriert, die durch winzige, geordnete Flüssigkristalle verschiedene Farben erzeugen", sagt Prof. Shokef. "Wenn Sie einen Defekt erzeugen - wenn Sie z.B. mit dem Daumen gegen einen Bildschirm drücken - stören Sie die Reihenfolge und erhalten einen Regenbogen von Farben. Die mechanische Unvollkommenheit verändert die Funktionsweise Ihres Bildschirms. Das war unser Absprungspunkt".

Die Wissenschaftler entwarfen ein komplexes mechanisches Metamaterial mit Hilfe von dreidimensionalem Druck, fügten Defekte in seine Struktur ein und zeigten, wie solche lokalisierten Defekte die mechanische Reaktion beeinflussten. Das erfundene Material war flach und bestand aus dreieckigen Puzzleteilen mit Seiten, die sich durch Ausbeulen oder Einbeulen bewegten. Wenn "perfekt", ist das Material weich, wenn es von zwei Seiten zusammengedrückt wird, aber bei einem unvollkommenen Material ist eine Seite des Materials weich und die andere steif. Dieser Effekt kehrt sich um, wenn die Struktur auf der einen Seite gedehnt und auf der anderen Seite gequetscht wird: steife Teile werden weich und weiche Teile steif.

"Das nennen wir eine globale, topologische Unvollkommenheit", erklärt Prof. Shokef. "Es ist eine Unregelmäßigkeit, die man nicht einfach durch lokales Umlegen eines Puzzleteils beseitigen kann. Insbesondere haben wir gezeigt, wie wir solche Defekte nutzen können, um mechanische Kräfte und Verformungen in gewünschte Regionen des Systems zu lenken.

Die neue Forschung fördert das Verständnis von strukturellen Defekten und ihren topologischen Eigenschaften in Systemen der Physik der kondensierten Materie. Sie stellt auch eine Brücke zwischen periodischen, kristallartigen Metamaterialien und ungeordneten mechanischen Netzwerken her, die häufig in Biomaterialien zu finden sind.

Das Forschungsteam plant, seine Forschung über dreidimensionale komplexe Metamaterialien fortzusetzen und die reichere Geometrie der Unvollkommenheiten dort zu untersuchen.

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