Materialevidenskab
Laserprintede metamaterialer er nu stærkere og mere fleksible
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
MIT-gennembrud gør stive materialer fleksible med metamaterialer
Materialvidenskab er området for bedre forståelse af materialer på mikroskopisk, ofte atomart niveau, for at gøre dem bedre. Det mest almindelige mål er at gøre et materiale stærkere end i sin klassiske form, hvad enten det er stål, glas eller keramik.
Metamaterialer tager et skridt videre ved at ændre materialets struktur, hvilket giver det andre egenskaber end de grundmaterialers egenskaber, det er lavet af. Dette opnås oftest ved at skabe gentagne mønstre af præcis form, geometri, størrelse, orientering osv.
Kilde: MIT
Her også har størstedelen af forskningen fokuseret på at gøre det endelige produkt stærkere end dets grundkomponent, med potentielt superstål, kulfiber, silke og andre materialer, der kunne bruges i kropsrustning, byggeri eller futuristiske projekter som rumløftere.
En ny type metamateriale bliver nu opfundet, som gør ellers stive og hårde elementer fleksible. Denne opdagelse blev gjort af MIT-forskere og offentliggjort i Nature Materials1 under titlen “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Hvordan metamaterialer overgår traditionelle materialer
Skabelsen af regelmæssige mikrostrukturer på en kontrolleret måde kan føre til forbedret ydeevne for et materiale sammenlignet med dets grundkomponent. Dette kan påvirkes af mange forskellige egenskaber, såsom elektromagnetisk, akustisk, strukturel styrke, termisk osv.
Generelt kommer dette som et kompromis. For eksempel bliver stærkere materialer generelt mere stive, hvilket kan reducere deres praktiske anvendelse.
Så det er på en måde en revolution, som MIT-forskerne skaber, ved at blande metoder, gøre et materiale stivere og stærkere, men også mere fleksibelt på samme tid.
“Vi indså, at feltet for metamaterialer egentlig ikke har forsøgt at gøre en indflydelse inden for blødt materialeområde.
Indtil nu har vi alle søgt efter de mest stive og stærkeste materialer muligt.
Stærkere og mere fleksible: Løsning af metamaterialets kompromis
Indtil nu er de fleste metamaterialer fremstillet ved en metode, der ligner 3D-printning, og producerer mikroskopiske stolper og gitter.
Kilde: ETH Zurich
I stedet udviklede MIT-forskerne en arkitektur af indvævede fjedre eller spoler, som er iboende mere fleksible.
I deres første eksperiment brugte de et materiale som plexiglas, som burde være meget stift, og samlede det “normalt”. Når det væves ind i et metamateriale, blev det blødt og fjederagtigt, som gummi.
“Vi åbner dette nye territorium for metamaterialer.
Du kunne printe et dobbelt-netværk metal eller keramisk, og du kunne få mange af disse fordele, idet det ville kræve mere energi at bryde dem, og de ville være betydeligt mere strækbare.
Dette var en god start, da det kunne bruge stærke materialer og gøre dem bløde og fleksible. Det var dog lidt for succesfuldt, da materialet var strækkeligt, men “lidt for blødt og eftergiveligt”.
Hydrogel-inspireret design øger fleksibilitet og holdbarhed
Et andet fremragende materiale er hydrogel, en type blød, strækbar, Jell-O-lignende forbindelse, der hovedsageligt består af vand og en smule polymerstruktur. Nogle hydrogeler er endda naturlige, som for eksempel gelatine.
MIT-forskere har allerede fundet måder at gøre hydrogel hårdere på, mens de bevarer dets bløde og strækbare egenskaber. De gør det ved at kombinere flere polymernetværk med meget forskellige egenskaber, såsom et netværk af molekyler, der naturligt er stift, og et der er iboende blødt.
Så tilpassede forskerne dette koncept til deres plexiglas-metamateriale. De blandede et stift og stærkt klassisk metamateriale ved hjælp af en gitterlignende ramme af stolper og gitter, sammen med et mønster af spoler, der væver sig omkring hver stolpe og gitter.
Begge materialenetværk blev fremstillet samtidigt ved brug af en højpræcisions, laserbaseret trykteknik kaldet to-foton litografi.
Kilde: LiqCreate
Hvordan dobbelt-netværks metamaterialer præsterer i enhver skala
Det nyopfundne dobbelt-netværks metamateriale blev derefter testet i forskellige størrelser. Nogle prøver blev fremstillet med komponenten målt i flere kvadratmikrometer, andre op til flere kvadratmillimeter.
De målte derefter den resulterende styrke og fleksibilitet ved hjælp af højhastighedskameraer, når de pressede materialet til dets grænse.
Kilde: MIT
Det dobbelte netværk viste sig i stand til at strække sig 3 gange sin egen længde, hvilket er 10 gange længere end et konventionelt gittermønsteret metamateriale.
“Tænk på dette vævede netværk som en masse spaghetti, der er viklet omkring et gitter. Når vi bryder det monolitiske gitternetværk, følger de brudte dele med, og nu bliver al denne spaghetti viklet ind i gitterstykkerne.
Det fremmer mere sammenfiltring mellem de vævede fibre, hvilket betyder, at du får mere friktion og mere energidissipation.
Det er denne spredning af energien, der er den vigtigste drivkraft for metamaterialets fleksibilitet, da et indledende revne sandsynligvis ikke vil gå lige igennem og hurtigt rive materialet.
Hvordan strategiske defekter gør metamaterialer endnu mere robuste
Modsat intuitionen opdagede de også, at det var muligt at gøre det endnu stærkere ved at lave huller i gitteret.
Denne defekt tillader endnu mere energidissipation og øger den samlede modstandsdygtighed af det endelige produkt.
“Du kunne tænke, at dette gør materialet dårligere. Men vi så, at da vi begyndte at tilføje defekter, fordoblede vi den strækning, vi kunne opnå, og tredoblede den energi, vi dissipere.
Det giver os et materiale, der både er stift og robust, hvilket normalt er en modsigelse.
Dette gjorde det muligt for forskningsteamet at udvikle en teoretisk ramme for bedre at forudsige adfærden af sådanne metamaterialer.
Praktiske anvendelser af MIT’s fleksible metamaterialer
En sådan blueprint vil være nyttig i design af rivfri tekstiler og stoffer.
Fleksible halvledere, elektronisk chippakning og holdbare, men eftergivende strukturer, som celler kan vokse på for vævsreparation, kan også drage fordel af denne teknologi.
En anden mulighed ville være at anvende dette koncept med at blande forskellige metamaterialer (stolper og gitter sammen med spoler) på de materialer, der i øjeblikket er sprøde. Det kunne give dem både mere fleksibilitet og mere modstandsdygtighed på én gang.
Den samme idé kunne bruges til at tilføje nye specifikationer til eksisterende materialer, for eksempel ved at gøre dem naturligt reaktive over for deres miljø.
“Indtil nu har vi talt om mekaniske egenskaber, men hvad hvis vi også kunne gøre dem ledende eller temperaturresponsive?
Til det kunne de to netværk laves af forskellige polymerer, der reagerer på temperatur på forskellige måder, så et stof kan åbne sine porer eller blive mere eftergivende, når det er varmt, og kan blive mere stift, når det er koldt.
Investering i fremtiden for kommercielle metamaterialer
DuPont
DD Prisdiagram
DuPont er en enorm kemisk virksomhed med mange vigtige mærkevarer af kemikalier, såsom Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandbeskyttelse), Great Stuff (bygningsklæbemiddel) osv. Dens avancerede polymerforskning og beskyttelsesmaterialemærker kunne placere den i en position til at drage fordel af dobbelt-netværks metamaterialeteknologier.
DuPont er en gammel virksomhed med en kompleks historie af opkøb, og for nylig en række spinoffs.
Kilde: DuPont
Disse spinoffs har adskilt DuPonts afdelinger for ernæring og biovidenskab, delvist solgt til Corteva Biosciences (CTVA ), titaniumprodukter, der danner Chemours Company (CC ), og mobilitet.
Det vil også adskille sig fra sin elektronik-kemikalieforretning i november 2025, men beholde vandsegmentet (membraner og filtre til vandrensning og afsaltning), i modsætning til tidligere planer.
Kilde: DuPont
Dette vil efterlade DuPont som en meget mere fokuseret virksomhed, med en kerneaktivitet inden for avancerede polymerer til vandrensning og beskyttelsesudstyr, samt avancerede materialer til rumfart, sundhedspleje og elbiler.
Kilde: DuPont
DuPont er en virkelig international virksomhed med stor efterspørgsel efter specialkemikalier inden for vandrensning og industriel fremstilling.
De sektorer, som DuPonts kemikalier betjener, er også meget varierede, herunder byggeri, vandrensning, elektronikindustrien, bilindustrien, rumfart, sundhedspleje, grøn energi og industriel produktion.
Kilde: DuPont
Den stærke tilstedeværelse af DuPont inden for beskyttelsesudstyr og den etablerede position med Kevlar-mærket, en højtydende polymer, bør hjælpe dem med at tilpasse nye former for metamaterialer til kommercielle produkter.
Under alle omstændigheder, efterhånden som nye teknologier vokser, ligesom vandforbruget, vokser også efterspørgslen efter de avancerede kemikalier, som DuPont producerer.
Seneste om Dupont
Studier Refereret:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
