Materiaalkunde
Laser-geprinte metamaterialen zijn nu sterker en flexibeler
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
MIT Doorbraak Maakt Stijve Materialen Flexibel Met Metamaterialen
Materiaalkunde is het domein van een beter begrip van materialen op microscopisch, vaak atomair niveau, om ze te verbeteren. Het meest voorkomende doel is om een materiaal sterker te maken dan in zijn klassieke vorm, of het nu staal, glas of keramiek is.
Metamaterialen gaan nog een stap verder door de structuur van het materiaal te veranderen, waardoor het andere eigenschappen krijgt dan de eigenschappen van de basismaterialen waaruit het bestaat. Dit wordt meestal bereikt door herhalende patronen van precieze vorm, geometrie, grootte, oriëntatie, enzovoort te creëren.
Bron: MIT
Ook hier heeft het grootste deel van het onderzoek zich gericht op het sterker maken van het eindproduct dan de basiscomponent, met potentieel superstaal, koolstofvezel, zijde en andere materialen die gebruikt zouden kunnen worden in lichaamspantser, constructie of futuristische projecten zoals ruimteliften.
Er wordt nu een nieuw type metamateriaal uitgevonden, dat anders stijve en rigide elementen flexibel maakt. Deze ontdekking werd gedaan door MIT-onderzoekers en gepubliceerd in Nature Materials1, onder de titel “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Hoe Metamaterialen Traditionele Materialen Overtreffen
Het creëren van regelmatige micro-structuren op een gecontroleerde manier kan leiden tot verbeterde prestaties van een materiaal vergeleken met de basiscomponent. Dit kan worden beïnvloed door vele verschillende eigenschappen, zoals elektromagnetisch, akoestisch, structurele sterkte, thermisch, enzovoort.
In het algemeen komt dit als een afweging. Bijvoorbeeld, sterkere materialen worden doorgaans stijver, wat hun praktische gebruik kan verminderen.
Het is dus een soort revolutie die de MIT-onderzoekers creëren, door methoden te combineren, een materiaal stijver en sterker te maken, maar tegelijkertijd ook flexibeler.
“We realiseerden ons dat het veld van metamaterialen niet echt heeft geprobeerd impact te maken in het zachte materie-gebied.
Tot nu toe hebben we allemaal gezocht naar de stijfste en sterkste materialen die mogelijk zijn.
Sterker en Flexibeler: Het Oplossen van de Metamateriaal Afweging
Tot nu toe worden de meeste metamaterialen gemaakt met een methode die vergelijkbaar is met 3D-printen, waarbij microscopische staanders en trussen worden geproduceerd.
Bron: ETH Zurich
In plaats daarvan ontwikkelden de MIT-onderzoekers een architectuur van onderling verweven veren, of spiralen, die van nature flexibeler zijn.
In hun eerste experiment gebruikten ze een materiaal zoals plexiglas, dat zeer stijf zou moeten zijn, en assembleerden het “normaal”. Wanneer het in een metamateriaal werd geweven, werd het zacht en veerkrachtig, als rubber.
“Wij openen dit nieuwe gebied voor metamaterialen.
Je zou een dubbelnetwerk-metaal of -keramiek kunnen printen, en je zou veel van deze voordelen kunnen behalen, omdat het meer energie zou kosten om ze te breken, en ze aanzienlijk rekbaarder zouden zijn.
Dit was een goede start, omdat het sterke materialen kon gebruiken en ze zacht en flexibel kon maken. Het was echter een beetje te succesvol, want hoewel het materiaal rekbaar was, was het “een beetje te zacht en meegaand”.
Hydrogel-geïnspireerd Ontwerp Verhoogt Flexibiliteit en Duurzaamheid
Een ander uitzonderlijk materiaal is hydrogel, een soort zacht, rekbaar, Jell-O-achtig verband dat voornamelijk uit water bestaat en een beetje polymeerstructuur. Sommige hydrogels zijn zelfs natuurlijk, zoals gelatine, bijvoorbeeld.
MIT-onderzoekers hebben al manieren gevonden om hydrogel sterker te maken, terwijl ze de zachte en rekbare eigenschappen behouden. Ze doen dit door meerdere polymeernetwerken te combineren met zeer verschillende eigenschappen, zoals een netwerk van moleculen dat van nature stijf is en één dat van nature zacht is.
Dus pasten de onderzoekers dit concept toe op hun plexiglas-metamateriaal. Ze mengden een stijf en sterk klassiek metamateriaal met een rasterachtig geraamte van staanders en trussen, samen met een patroon van spiralen die rond elke staander en truss weven.
Beide netwerken van materiaal werden gelijktijdig gemaakt, met behulp van een hoogprecisie, lasergebaseerde printtechniek genaamd twee-foton lithografie.
Bron: LiqCreate
Hoe Dubbelnetwerk Metamaterialen Presteren op Elke Schaal
Het nieuw uitgevonden dubbelnetwerk-metamateriaal werd vervolgens getest op verschillende groottes. Sommige monsters werden gemaakt met een component van enkele vierkante microns, andere tot enkele vierkante millimeters.
Vervolgens maten ze de resulterende sterkte en flexibiliteit met hogesnelheidscamera’s tijdens het duwen van het materiaal tot het uiterste.
Bron: MIT
Het dubbelnetwerk bleek in staat te zijn om 3 keer zijn eigen lengte uit te rekken, wat 10 keer verder is dan een conventioneel rasterpatroon-metamateriaal.
“Denk aan dit geweven netwerk als een wirwar van spaghetti die verstrikt is rond een raster. Wanneer we het monolithische rasternetwerk breken, gaan die gebroken delen mee, en nu raakt al die spaghetti verstrikt met de rasterstukken.
Dat bevordert meer verstrikking tussen de geweven vezels, wat betekent dat je meer wrijving en meer energie dissipatie hebt.
Het is deze verspreiding van de energie die de belangrijkste drijvende kracht is achter de flexibiliteit van het metamateriaal, omdat een initiële scheur waarschijnlijk niet recht door het materiaal gaat en het snel scheurt.
Hoe Strategische Defecten Metamaterialen Nog Steviger Maken
Tegengesteld aan de intuïtie ontdekten ze ook dat het mogelijk was om het nog sterker te maken door gaten in het raster te prikken.
Dit defect zorgt voor nog meer energie dissipatie en verhoogt de algehele veerkracht van het eindproduct.
“Je zou kunnen denken dat dit het materiaal slechter maakt. Maar we zagen dat zodra we defecten begonnen toe te voegen, we de hoeveelheid rek die we konden bereiken verdubbelden, en de hoeveelheid energie die we dissiperen verdrievoudigden.
Dat geeft ons een materiaal dat zowel stijf als taai is, wat meestal een tegenstrijdigheid is.
Dit stelde het onderzoeksteam in staat een theoretisch kader te ontwikkelen om het gedrag van dergelijke metamaterialen beter te voorspellen.
Praktische Toepassingen voor MIT’s Flexibele Metamaterialen
Zo’n blauwdruk zal nuttig zijn bij het ontwerpen van scheurvaste textiel en stoffen.
Flexibele halfgeleiders, elektronische chipverpakkingen en duurzame maar toch flexibele steunen waarop cellen kunnen groeien voor weefselherstel kunnen ook profiteren van deze technologie.
Een andere optie zou zijn om dit concept van het mengen van verschillende metamaterialen (staanders en trussen samen met spiralen) toe te passen op momenteel brosse materialen. Het zou hen zowel meer flexibiliteit als meer veerkracht tegelijk kunnen geven.
Hetzelfde idee kan worden gebruikt om nieuwe specificaties toe te voegen aan bestaande materialen, bijvoorbeeld door ze van nature reactief te maken op hun omgeving.
“Tot nu toe hebben we het over mechanische eigenschappen gehad, maar wat als we ze ook geleidend of temperatuurgevoelig konden maken?
Daarvoor zouden de twee netwerken kunnen bestaan uit verschillende polymeren die op verschillende manieren op temperatuur reageren, zodat een stof zijn poriën kan openen of flexibeler kan worden wanneer het warm is en stijver kan worden wanneer het koud is.
Investeren in de Toekomst van Commerciële Metamaterialen
DuPont
DD Prijsgrafiek
DuPont is een enorm chemisch bedrijf met veel belangrijke merkchemicaliën, zoals Kevlar, Styrofoam, Nomex (vuurbescherming), Great Stuff (bouwlijm), enzovoort. Zijn geavanceerde polymeeronderzoek en beschermende materiaalmerken kunnen het in staat stellen te profiteren van dubbelnetwerk-metamateriaaltechnologieën.
DuPont is een oude onderneming met een complexe geschiedenis van overnames, en recentelijk een reeks spin-offs.
Bron: DuPont
Deze spin-offs hebben van DuPont de afdelingen voeding en biowetenschappen gescheiden, gedeeltelijk verkocht aan Corteva Biosciences (CTVA ), titaniumproducten die de Chemours Company vormen (CC ), en mobiliteit.
Het zal zich ook scheiden van zijn elektronische chemische business in november 2025, maar behoudt het watersegment (membranen en filters voor waterzuivering en ontzilting), in tegenstelling tot eerdere plannen.
Bron: DuPont
Dit zal DuPont een veel meer gefocust bedrijf maken, met een kernactiviteit in geavanceerde polymeren voor waterzuivering en beschermingsapparatuur, evenals geavanceerde materialen voor de lucht- en ruimtevaart, gezondheidszorg en elektrische voertuigen.
Bron: DuPont
DuPont is een echt internationaal bedrijf, met een grote vraag naar specialty chemicals in waterzuivering en industriële productie.
De sectoren die door DuPont-chemicaliën worden bediend, zijn ook zeer divers, waaronder bouw, waterzuivering, de elektronicabranche, automotive, lucht- en ruimtevaart, gezondheidszorg, groene energie en industriële productie.
Bron: DuPont
De sterke aanwezigheid van DuPont in beschermende uitrusting en de gevestigde positie met het Kevlar-merk, een hoogwaardig polymeer, zou het moeten helpen nieuwe vormen van metamaterialen in commerciële producten te integreren.
In elk geval, naarmate nieuwe technologieën groeien, evenals het waterverbruik, groeit ook de vraag naar de geavanceerde chemicaliën die door DuPont worden geproduceerd.
Laatste over Dupont
Studies Gerefereerd:
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
