Neues Metamaterial bietet umprogrammierbare Eigenschaften

In den letzten 20 Jahren haben Wissenschaftler Metamaterialien oder Materialien entwickelt, die nicht auf natürliche Weise vorkommen und deren mechanische Eigenschaften sich eher aus ihrer konstruierten Struktur als aus ihrer chemischen Zusammensetzung ergeben. Sie ermöglichen es Forschern, Materialien mit bestimmten Eigenschaften und Formen herzustellen. Metamaterialien sind in Alltagsgegenständen noch nicht weit verbreitet, aber das könnte sich bald ändern. Tian Chen, Post-Doc in zwei EPFL-Labors – dem Flexible Structures Laboratory unter der Leitung von Pedro Reis und dem Geometric Computing Laboratory unter der Leitung von Mark Pauly – hat Metamaterialien weiterentwickelt und eines entwickelt, dessen mechanische Eigenschaften neu programmiert werden können nachdem das Material hergestellt wurde. Seine Forschung erscheint in der Natur .

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Ein einziges Material mit mehreren mechanischen Funktionen

“Ich habe mich gefragt, ob es eine Möglichkeit gibt, die innere Geometrie der Materialstruktur nach ihrer Erstellung zu ändern”, sagt Chen. “Die Idee war, ein einziges Material zu entwickeln, das eine Reihe von physikalischen Eigenschaften wie Steifheit und Festigkeit aufweist, damit die Materialien nicht jedes Mal ausgetauscht werden müssen. Wenn Sie beispielsweise Ihren Knöchel drehen, müssen Sie zunächst etwas tragen Eine steife Schiene, um den Knöchel an Ort und Stelle zu halten. Wenn er heilt, können Sie zu einer flexibleren wechseln. Heute müssen Sie die gesamte Schiene ersetzen, aber die Hoffnung ist, dass eines Tages ein einziges Material beide Funktionen erfüllen kann. “

Silizium und Magnetpulver

Chens Metamaterial besteht aus Silizium und magnetischem Pulver und hat eine komplizierte Struktur, bei der die mechanischen Eigenschaften variieren können. Jede Zelle innerhalb der Struktur verhält sich wie ein elektrischer Schalter. “Sie können einzelne Zellen durch Anlegen eines Magnetfelds aktivieren und deaktivieren. Dadurch wird der interne Zustand des Metamaterials und damit seine mechanischen Eigenschaften verändert”, sagt Chen. Er erklärt, dass sein programmierbares Material analog zu Computergeräten wie Festplatten ist. Diese Geräte enthalten Datenbits, in die in Echtzeit geschrieben und aus denen gelesen werden kann. Die Zellen in seinem programmierbaren Metamaterial, M-Bits genannt, funktionieren wie die Bits auf einer Festplatte – sie können ein- und ausgeschaltet werden, wodurch das Material steifer oder ausgeschaltet wird, wodurch es flexibler wird.

Um sein Material zu entwickeln, stützte sich Chen auf Methoden aus der Informatik und dem Maschinenbau. “Das macht sein Projekt so besonders”, sagt Pauly. Chen verbrachte auch viel Zeit damit, sein Material in jedem seiner verschiedenen Zustände zu testen. Er fand heraus, dass es tatsächlich so programmiert werden konnte, dass verschiedene Grade an Steifheit, Verformung und Festigkeit erreicht wurden.

Viele Forschungshorizonte

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Programmierbare Metamaterialien ähneln Maschinen wie Robotern, die komplizierte, energieintensive elektronische Mechanismen verwenden. Mit seiner Forschung möchte Chen das richtige Gleichgewicht zwischen statischen Materialien und Maschinen finden. Reis sieht viel Potenzial für weitere Forschung mit Chens Technologie. “Wir könnten eine Methode zum Erstellen von 3D-Strukturen entwerfen, da wir bisher nur in 2D gearbeitet haben”, sagt Reis. “Oder wir könnten den Maßstab verkleinern, um noch kleinere Metamaterialien herzustellen.” Chens Entdeckung markiert einen grundlegenden Schritt nach vorne, da es das erste Mal ist, dass Wissenschaftler ein wirklich umprogrammierbares mechanisches Metamaterial entwickelt haben. Es eröffnet viele spannende Möglichkeiten für Forschung und hochmoderne industrielle Anwendungen.

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