Twist Buckling kan åbne op for ultra-resistente chirale strukturer

Forskere fra Kina og USA har undersøgt, hvordan kirale metamaterialer, der vrider sig under knækning, kan lagre og frigive elastisk energi ved sammenpresning. De afprøvede 3D-printede prøver af gummi og titaniumlegering og sammenlignede dem med andre gitterstrukturer. Resultaterne kan hjælpe med at designe støddæmpende konstruktioner, men teknologien er endnu ikke afprøvet i færdige medicinske eller industrielle produkter.

Hvad er høj-entalpi elastiske metamaterialer, og hvorfor de er vigtige

Et elastisk metamateriales egenskaber afhænger både af grundmaterialet og af dets konstruerede indre geometri. Hvis en struktur kan vende tilbage til sin form efter belastning, kan den måske bruges i dele, som gentagne gange udsættes for tryk eller stød. Ydeevnen afhænger af geometri, materiale og belastning.

Udfordringerne for næste generations metamaterialer

Mange gitterstrukturer knækker eller bryder pludseligt sammen og genvinder ikke formen efterpå. Derfor er det vigtigt at undersøge mere end den maksimale styrke: også adfærden efter knækning har betydning. Forskerne søgte en form, der kan lagre meget energi og stadig være elastisk.

Introduktion af Twist Buckling: En spilskifter inden for metamaterialdesign

Studiet ”Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”¹ blev offentliggjort i Nature og undersøger frit roterende kirale enhedsceller. Under belastning samvirker kompression, vridning og bøjning og ændrer, hvordan energien lagres.

Kilde: Nature

Forståelse af chirale strukturer i maskiningeniørkunst

En kiral form kan ikke bringes til at falde sammen med sit spejlbillede, ligesom en venstre- og en højresnoet spiral. Denne retningsbestemte geometri kan koble tryk langs en akse til en rotation. Studiet brugte denne egenskab til at ændre det mekaniske svar.

Hvordan Twist Buckling forbedrer energilagring og robusthed

Når prøven presses sammen og vrides, bøjes dens stænger både i strukturens plan og på tværs af det, samtidig med at de vrides og komprimeres. Forskerne analyserede især forholdet mellem kraft og deformation efter knækning for at vurdere genvindelig elastisk energi.

Torsionsbuckling deformation

Knækning opfattes ofte som begyndelsen på et sammenbrud. I en veludformet kiral celle kan den i stedet være en kontrolleret deformation, der optager belastning og lagrer energi. Fordelen ses kun i passende områder for geometri og deformation.

Twist Buckling

I den undersøgte konstruktion kan kirale celler rotere, når de presses sammen, og dermed skabe vridningsknækning. Forskerne sammenholdt en matematisk model med forsøg og undersøgte, hvordan stængernes vinkler og forbindelser påvirkede resultaterne.

Post Twist Buckling-adfærd

Adfærden efter knækning er central: Kan konstruktionen fortsætte med at bære belastning uden at blive ødelagt og bagefter genvinde formen? Første og gentagen belastning bør vurderes hver for sig, ligesom gummi- og metalprøverne.

Ikke altid bedre

Den kirale løsning er ikke bedst i alle situationer. Materiale, geometri, spændingsniveau og belastningsområde skal være sammenlignelige. En struktur kan tåle mere før første knækning, mens genvinding efter knækning kan være vigtigere i en anden anvendelse.

Eksperimentel bevis: 3D-printede chirale strukturer leverer banebrydende resultater

Forskerne 3D-printede flere gitterkonstruktioner af stænger, bjælker og plader. De brugte gummi og titaniumlegeringen TC4 og sammenlignede kirale prøver med blandt andet prisme- og oktaedergitre i trykforsøg.

Twist Buckling-testresultater

De målte vridningsknækninger stemte i store træk med analysemodellen. Ifølge Nature-artiklen havde en stangbaseret kiral struktur omkring 7,5 gange højere knækstyrke end et stift prismegitter. Sammenligningstallene for lagret energi varierede markant med den valgte referencestruktur. Tallene gælder prøver af bestemte materialer under fastlagte testforhold, ikke alle fremtidige produkter.

Twist Buckling-fordele

Kontrolleret deformation kan være et alternativ til en konstruktion, der pludselig svigter. For at bedømme stødbeskyttelse skal man dog også teste dynamiske kræfter, udmattelse, større komponenter og temperatur. Studiet er ikke en produkttest.

Reelle anvendelser af Twist Buckling-metamaterialer

Mulige anvendelser er maskindele, der presses sammen gentagne gange, og konstruktioner, der skal dæmpe stød. Egnetheden afhænger blandt andet af den nødvendige deformation, holdbarhed, fremstillingsomkostninger og sikkerhedskrav.

Medicinsk

Fleksible konstruktioner kan også være relevante for medicinsk teknologi. Forskerne testede imidlertid hverken biosensorer eller systemer til lægemiddelafgivelse og påviste ikke sikkerhed ved brug på mennesker. Sådanne anvendelser kræver særskilte undersøgelser af biokompatibilitet og klinisk funktion.

Industriel

Industrien kan undersøge materialet til støddæmpning eller dele med gentagen belastning. Kiralitet findes også i anden nanoteknologi, men det betyder ikke, at disse prøver uden videre kan bruges som katalysatorer eller nanorør.

Fremtiden for metamaterialer: Hvad kommer efter Twist Buckling?

Forskere fra flere institutioner deltog, herunder Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen, Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao og Peter Gumbsch. Arbejdet kombinerede modellering, fremstilling af prøver og kompressionstest.

Twist Buckling-fremtid

Fremtidige forsøg kan omfatte andre materialer og geometrier samt gentagen belastning og produktion i større skala. Det vides endnu ikke, om de samme egenskaber kan opnås industrielt til acceptable omkostninger.

Investering i nanoteknologi-sektoren

Mange virksomheder arbejder med avancerede materialer, men denne publikation viser ikke, at et bestemt børsnoteret selskab vil kommercialisere resultatet. Følgende virksomhedsprofil er et særskilt brancheeksempel.

IBM

IBM (IBM ) blev grundlagt som Computing-Tabulating-Recording Company i 1911 og tog navnet International Business Machines i 1924. IBM udfører omfattende teknologisk forskning, men udviklede ikke det kirale gitter i dette studie.

IBM forsker inden for computere og industriteknologi. Der er ikke påvist nogen direkte sammenhæng mellem dette studie og virksomhedens økonomiske resultater.

IBM har forskning og patenter på mange teknologiområder. Studiet giver dog ikke grundlag for at forudsige selskabets omsætning eller aktiekurs ud fra resultaterne om vridningsknækning.

Seneste om IBM

Chiral Twist Buckling: Indleder en stærkere, smartere materialæra

Studiet viser, hvordan genvindelig elastisk energi i et 3D-printet kiralt metamateriale kan øges gennem design. Den praktiske nytte skal stadig afprøves med gentagen brug, større skala, ensartet produktion, omkostninger og sikkerhedstests. Det oprindelige studie er linket nedenfor.Læs mere om beslægtet forskning .

Refererede studier:

^{1. Fang, X., Yu, D., Wen, J., Dai, Y., Begley, M. R., Gao, H., & Gumbsch, P. (2025). Stor genoprettelig elastisk energi i chirale metamaterialer via twist buckling. Nature, 639, 639–645. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}