Drehknicken könnte ultraresiliente chirale Strukturen freischalten

A team of researchers from China and the US has introduced a new method to improve the performance of high-enthalpy elastic materials utilizing a technique called twist buckling. The new design could allow for the creation of lighter and more capable metamaterials. Here’s what you need to know.

Was sind hochenthalpische elastische Metamaterialien und warum sind sie wichtig

High-enthalpy elastic metamaterials are crucial ways in which engineers can absorb shock, improve load-bearing capability, and store mechanical energy. These materials are a critical component in today’s high-tech devices.
Ein gängiges Beispiel für dieses Konzept ist die Vorstellung einer Struktur aus geraden Stäben. Stellen Sie sich nun dieselbe Struktur vor, bei der die Stäbe leicht verdreht sind. Die leichte Verdrehung verleiht den Stäben mehr Stoßfestigkeit und Tragfähigkeit. Somit bieten hochenthalpische elastische Materialien Stoßresistenz und Bewegungsagilität aus einer leichten Struktur, die für ein breites Anwendungsspektrum angepasst werden kann.

Die Herausforderungen für die nächste Generation von Metamaterialien

There are several problems with high-enthalpy elastic metamaterials at the moment that must be addressed to improve their adoption. For one, they require engineers to build structures that have opposing properties.
Diese Materialien müssen Belastungen standhalten, dabei aber in bestimmten Positionen steif bleiben. Sie müssen stark sein, aber gleichzeitig weich genug, um Stöße ohne Schaden zu absorbieren. Außerdem können diese Strukturen auf der Nanoskala entworfen werden, was ihre Komplexität erhöht. Glücklicherweise hat ein Team chinesischer und amerikanischer Ingenieure eine neuartige Methode vorgestellt, um ultra-performante chirale Strukturen mithilfe eines Konzepts namens Drehknicken zu erzeugen.

Einführung von Drehknicken: Ein Wendepunkt im Metamaterial-Design

The study titled “Große rückgewinnbare elastische Energie in chiralen Metamaterialien durch Drehknicken”¹ sheds light on how to create high-enthalpy elastic metamaterials via freely rotatable chiral metacells. These cells utilize chiral structures that incorporate twisting, compression, and bending to enable a new level of impact resistance and resilience.

Quelle – Nature

Verstehen von chiralen Strukturen im Maschinenbau

Engineers noted that chiral structures were the ideal location to start their enhancements. The term chirality refers to objects that can’t be superimposed onto their mirror image. The easiest way to visualize this concept is to think of your hand. While your hand will reflect in the mirror, it can’t be rotated in any way that can make the reflection match its image.
Ingenieure stellten fest, dass chirale Strukturen der ideale Ausgangspunkt für ihre Verbesserungen waren. Der Begriff Chiralie bezieht sich auf Objekte, die nicht mit ihrem Spiegelbild überlagert werden können. Die einfachste Art, dieses Konzept zu visualisieren, ist, an Ihre Hand zu denken. Während Ihre Hand im Spiegel erscheint, kann sie nicht so gedreht werden, dass das Spiegelbild mit dem Original übereinstimmt.
There are several types of chiral structures in use today, including chiral molecules, Stereogenic Centers, Axial Chirality, and Planar Chirality. Each of these chiral structures can’t be superimposed on its mirror image due to its geometry or axis. Notably, Chiral structures offer some unique advantages, such as the ability to have a normal and deformation mode.
Heute werden mehrere Arten von chiralen Strukturen verwendet, darunter chirale Moleküle, stereogene Zentren, axiale Chiralie und planare Chiralie. Jede dieser chiralen Strukturen kann aufgrund ihrer Geometrie oder Achse nicht mit ihrem Spiegelbild überlagert werden. Bemerkenswerterweise bieten chirale Strukturen einige einzigartige Vorteile, wie die Möglichkeit, einen Normal- und einen Deformationsmodus zu besitzen.

Wie Drehknicken die Energiespeicherung und Belastbarkeit verbessert

In a deformational mode, chiral structures can store lots of energy while maintaining their structural integrity. Part of the way scientists improve the performance of the deformation mode is through tensional buckling deformation strategies.
Im Deformationsmodus können chirale Strukturen viel Energie speichern und dabei ihre strukturelle Integrität bewahren. Ein Teil der Methode, mit der Wissenschaftler die Leistung des Deformationsmodus verbessern, besteht in Spannungsbuckel-Deformationsstrategien.

Torsionsbuckel-Deformation

Years of research have led engineers to learn that by coupling axial deformation and twisting, they can improve their chiral structures’ capabilities. Interestingly, the engineers utilize the chiral structure itself to trigger the deformation.
Jahrelange Forschung hat Ingenieuren gezeigt, dass sie durch die Kopplung von axialer Deformation und Verdrehung die Fähigkeiten ihrer chiralen Strukturen verbessern können. Interessanterweise nutzen die Ingenieure die chirale Struktur selbst, um die Deformation auszulösen.

Drehknicken

Now, the concept has been taken even further with the introduction of twist buckling. This structure utilizes mirror-symmetric metacells. These structures have chiral arms that integrate dual coaxial tori at a distance. These units have rods extending from the chiral structure that ensure it rotates at the proper angle when pressure is applied.
Jetzt wurde das Konzept mit der Einführung von Drehknicken noch weiterentwickelt. Diese Struktur verwendet spiegelbildlich symmetrische Metazellen. Diese Strukturen besitzen chirale Arme, die duale koaxiale Tori in Abstand integrieren. Diese Einheiten haben Stäbe, die von der chiralen Struktur ausgehen und dafür sorgen, dass sie sich bei Druckanwendung im richtigen Winkel drehen.

Verhalten nach dem Drehknicken

As part of the research, engineers created several chiral structures and then studied their post-buckling behavior. This step allows them to make some critical distinctions. For one, they were able to fully capture the four deformation modes in each rod. These modes are in-plane bending, out-of-plane bending, twisting, and compression.
Im Rahmen der Forschung stellten Ingenieure mehrere chirale Strukturen her und untersuchten anschließend ihr Verhalten nach dem Knicken. Dieser Schritt ermöglicht es ihnen, einige kritische Unterscheidungen zu treffen. Zum einen konnten sie die vier Deformationsmodi in jedem Stab vollständig erfassen. Diese Modi sind In-Plane-Biegung, Out-of-Plane-Biegung, Verdrehung und Kompression.
They noticed that in many chiral designs, the internal core remains vacant as the structure becomes more tightly packed. They also discovered that the chiral rod’s failure point is commonly at the twisted ribbon region on the rod surface. They then registered this data and incorporated it into their micropolar elasticity framework.
Sie bemerkten, dass bei vielen chiralen Designs der innere Kern leer bleibt, wenn die Struktur dichter gepackt wird. Außerdem stellten sie fest, dass der Versagenspunkt des chiralen Stabs häufig im verdrehten Bändernbereich an der Staboberfläche liegt. Diese Daten wurden anschließend erfasst und in ihr mikropolare Elastizitätsmodell integriert.

Nicht immer besser

The engineers also noted that traditional rods could store more energy if they were utilized to the point prior to failure, when compared to the twisted rod design. However, when they fail, the twisted rods are able to continue without imperfections, avoiding catastrophic failure.
Die Ingenieure stellten außerdem fest, dass herkömmliche Stäbe mehr Energie speichern könnten, wenn sie bis kurz vor dem Versagen genutzt würden, im Vergleich zum verdrehten Stabdesign. Wenn sie jedoch versagen, können die verdrehten Stäbe ohne Mängel weiterarbeiten und vermeiden so ein katastrophales Versagen.

Experimenteller Nachweis: 3D-gedruckte chirale Strukturen erzielen Durchbruchsergebnisse

To test their theory, the engineers created several different chiral structures. They utilize 3D printers to trial multiple rods, beams, and plate-based specimens. These options were created using either rubber or TC4 titanium alloy.
Um ihre Theorie zu testen, stellten die Ingenieure mehrere verschiedene chirale Strukturen her. Sie nutzten 3D‑Drucker, um mehrere Stäbe, Träger und plattenbasierte Proben zu testen. Diese Varianten wurden entweder aus Gummi oder aus der Titanlegierung TC4 hergestellt.

Ergebnisse der Drehknick‑Tests

Keenly, the test results demonstrate that chiral twist buckling actions matched the scientists’ analytical predictions. Additionally, the team reported massive performance improvements. Specifically, non-optimized chiral metamaterials improved buckling strength by 5–10 times, enthalpy by a max of 160 times, and increased energy per mass by up to 32 times.
Die Testergebnisse zeigen deutlich, dass die chiralen Drehknick‑Aktionen den analytischen Vorhersagen der Wissenschaftler entsprachen. Darüber hinaus berichtete das Team von enormen Leistungsverbesserungen. Konkret verbesserten nicht‑optimierte chirale Metamaterialien die Knickfestigkeit um das 5‑ bis 10‑fache, die Enthalpie um maximal das 160‑fache und die Energie pro Masse um bis zu das 32‑fache.
Interestingly, the engineers noted that both in-plane and out-of-plane bending follow the 1/2-order buckling mode set out by the team. Also, the chiral rods can store up to 4 times the energy of nonchiral options.
Interessanterweise stellten die Ingenieure fest, dass sowohl In‑Plane‑ als auch Out‑of‑Plane‑Biegungen dem vom Team festgelegten 1/2‑Ordnung‑Knickmodus folgen. Außerdem können die chiralen Stäbe bis zu viermal mehr Energie speichern als nicht‑chirale Optionen.

Vorteile des Drehknickens

There are many benefits that the twist buckling study brings to the market. For one, it improves the performance of chiral structures, which are an ideal component of next-generation metamaterials and advanced manufacturing methods. The new design offers engineers a way to incorporate failure into their designs. Imagine a device that would buckle smoothly with increasing load, versus snapping or suddenly bending. These devices could help prevent catastrophic failure while offering the ability to be made at a nanoscale.
Die Drehknick‑Studie bringt zahlreiche Vorteile auf den Markt. Erstens verbessert sie die Leistung chiraler Strukturen, die ein idealer Bestandteil von Metamaterialien der nächsten Generation und fortschrittlichen Fertigungsverfahren sind. Das neue Design bietet Ingenieuren die Möglichkeit, Versagen in ihre Konstruktionen zu integrieren. Stellen Sie sich ein Gerät vor, das bei steigender Belastung gleichmäßig knickt, anstatt zu brechen oder plötzlich zu biegen. Solche Geräte könnten katastrophales Versagen verhindern und gleichzeitig die Herstellung im Nanoskala‑Bereich ermöglichen.

Echtwelt-Anwendungen von Drehknick‑Metamaterialien

There are many applications for these advanced twist buckling chiral structures. They offer more resilience and can protect against unwanted pressure while threatening their deformed structure and energy. As such, multiple industries rely on these units. Here are some of the applications for chiral structures today.
Für diese fortschrittlichen Drehknick‑chiralen Strukturen gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Sie bieten höhere Belastbarkeit und können vor unerwünschtem Druck schützen, während sie ihre deformierte Struktur und Energie bewahren. Daher verlassen sich mehrere Branchen auf diese Einheiten. Hier sind einige der heutigen Anwendungen chiraler Strukturen.

Medizinisch

The medical field will utilize this technology to improve multiple aspects of the market. These structures can be utilized to make sensitive biosensors. These sensors can alert health care professionals to ailments and other issues long before other methods.
Der medizinische Bereich wird diese Technologie nutzen, um mehrere Aspekte des Marktes zu verbessern. Diese Strukturen können zur Herstellung empfindlicher Biosensoren verwendet werden. Diese Sensoren können Gesundheitsfachkräfte bereits lange vor anderen Methoden auf Krankheiten und andere Probleme aufmerksam machen.
Another use for chiral structures is in drug delivery. Researchers have created chiral structures that can target certain types of cells. These units enable healthcare professionals to improve treatments in hard-to-access areas like the kidney or liver, which are constantly flushing their contents.
Ein weiterer Einsatz chiraler Strukturen liegt in der Medikamentenabgabe. Forscher haben chirale Strukturen entwickelt, die bestimmte Zelltypen gezielt ansprechen können. Diese Einheiten ermöglichen es Gesundheitsfachkräften, Behandlungen in schwer zugänglichen Bereichen wie Niere oder Leber zu verbessern, die ständig ihre Inhalte ausspülen.

Industriell

There are several industrial uses for chiral structures. For one, they have been used as catalysts to help boost chemical reactions. Chiral structures are also a critical component of nanotechnology. Nanotubes rely on chiral structures to ensure their stiffness at such a tiny scale.
Es gibt mehrere industrielle Anwendungen für chirale Strukturen. Erstens wurden sie als Katalysatoren eingesetzt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Chirale Strukturen sind zudem ein kritischer Bestandteil der Nanotechnologie. Nanoröhren benötigen chirale Strukturen, um ihre Steifigkeit auf solch kleiner Skala zu gewährleisten.

Die Zukunft der Metamaterialien: Was folgt nach dem Drehknicken?

A team of researchers from multiple high-level institutions contributed to this study, including the National Key Laboratory of Equipment State Sensing and Smart Support, College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, China. Specifically, the report lists Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen & Yifan Dai as the main authors with support from Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao, and Peter Gumbsch.
Ein Forscherteam aus mehreren hochrangigen Institutionen trug zu dieser Studie bei, darunter das Nationale Schlüssellabor für Gerätezustandsmessung und intelligente Unterstützung, das College für Intelligente Wissenschaft und Technologie, die Nationale Universität für Verteidigungstechnologie, Changsha, China. Konkret nennt der Bericht Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen & Yifan Dai als Hauptautoren, unterstützt von Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao und Peter Gumbsch.

Zukunft des Drehknickens

The engineers will now seek to deepen their understanding of chiral structures and twist buckling. They will integrate new materials and utilize computer simulations to test other methods and approaches. The goal is to create ultra-performance chiral structure at the same or lower cost than today’s options.
Die Ingenieure werden nun versuchen, ihr Verständnis von chiralen Strukturen und Drehknicken zu vertiefen. Sie werden neue Materialien integrieren und Computersimulationen einsetzen, um weitere Methoden und Ansätze zu testen. Das Ziel ist es, ultra‑performante chirale Strukturen zu schaffen, die zu gleichen oder niedrigeren Kosten als die heutigen Optionen erhältlich sind.

Investitionen in den Nanotechnologiesektor

There are a lot of companies involved in the nanotechnology sector. This hi-tech market is seen as the future of many of the most advanced industries in the world. As such, billions of dollars continue to go into R&D and manufacturing. Here is one company that has remained at the forefront of the nanotech movement.
Es gibt zahlreiche Unternehmen im Nanotechnologiesektor. Dieser High‑Tech‑Markt wird als Zukunft vieler der fortschrittlichsten Industrien der Welt angesehen. Daher fließen weiterhin Milliarden Dollar in Forschung & Entwicklung sowie in die Fertigung. Hier ist ein Unternehmen, das an der Spitze der Nanotech‑Bewegung bleibt.

IBM

IBM (IBM ) entered the market in 1911 as the Computing-Tabulating-Recording Company (CTR). The company changed its name in 1924 to International Business Machines (IBM) to reflect the growing technology of the time. Since its launch, IBM has become one of the most recognized companies globally.
IBM (IBM ) trat 1911 als Computing-Tabulating-Recording Company (CTR) in den Markt ein. Das Unternehmen änderte 1924 seinen Namen in International Business Machines (IBM), um die wachsende Technologie jener Zeit widerzuspiegeln. Seit seiner Gründung ist IBM zu einem der weltweit bekanntesten Unternehmens geworden.

Dieses riesige Konglomerat steht hinter einigen der größten Innovationen der letzten Zeit. Es hat seinen Sitz in New York und ist in 170 Ländern tätig. Besonders hervorzuheben ist, dass IBM Abteilungen für Infrastruktur‑Dienstleistungen, Software, IT‑Dienstleistungen und Hardware besitzt.

IBM bleibt ein Vorreiter im Biotech‑Sektor. Das Unternehmen hat mehrere Patente angemeldet und sucht weiterhin nach Möglichkeiten, die Technologie in seine Produkte zu integrieren. Wer nach einem bewährten und langjährigen Innovator im Nanotechnologiesektor sucht, sollte IBM genauer untersuchen.

Neueste Nachrichten zu IBM

Chirales Drehknicken: Ein stärkeres, intelligenteres Materialzeitalter einläuten

The average person may never understand how important chiral structures are to today’s world. However, it must be noted that the engineers in this study have opened the door for additional adoption and innovations. Their hard work has led to several revelations that are sure to help make the most of this technology.
Der durchschnittliche Mensch wird vielleicht nie verstehen, wie wichtig chirale Strukturen für die heutige Welt sind. Dennoch muss betont werden, dass die Ingenieure dieser Studie die Tür für weitere Verbreitung und Innovationen geöffnet haben. Ihre harte Arbeit hat zu mehreren Erkenntnissen geführt, die sicher dazu beitragen werden, das Potenzial dieser Technologie voll auszuschöpfen.
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Referenzierte Studien:

^{1. Fang, X., Yu, D., Wen, J., Dai, Y., Begley, M. R., Gao, H., & Gumbsch, P. (2025). Große rückgewinnbare elastische Energie in chiralen Metamaterialien durch Drehknicken. Nature, 639, 639–645. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}