Materialvitenskap
Lasertrykte metamaterialer er nå sterkere og mer fleksible
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
MIT-gjennombrudd gjør stive materialer fleksible med metamaterialer
Materialvitenskap er domenet for bedre forståelse av materialer på mikroskopisk, ofte atomisk nivå, for å gjøre dem bedre. Det vanligste målet er å gjøre et materiale sterkere enn i sin klassiske form, enten det er stål, glass eller keramikk.
Metamaterialer tar det ett steg videre, ved å endre materialets struktur, og gir det andre egenskaper enn egenskapene til basismaterialene det er laget av. Dette oppnås vanligvis ved å lage repeterende mønstre med presis form, geometri, størrelse, orientering osv.
Kilde: MIT
Her også har mesteparten av forskningen som er gjort konsentrert seg om å gjøre sluttproduktet sterkere enn komponenten det er bygget på, med potensielt superstål, karbonfiber, silke og andre materialer som kan brukes i kroppsrustning, bygging eller futuristiske prosjekter som romheiser.
En ny type metamaterial blir nå oppfunnet, som gjør ellers stive og rigide elementer fleksible. Denne oppdagelsen ble gjort av MIT-forskere og publisert i Nature Materials1, under tittelen “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Hvordan metamaterialer overgår tradisjonelle materialer
Opprettelsen av regelmessige mikrostrukturer på en kontrollert måte kan føre til forbedret ytelse av et materiale sammenlignet med dets basiskomponent. Dette kan påvirkes av mange ulike egenskaper, som elektromagnetisk, akustisk, strukturell styrke, termisk osv.
Generelt kommer dette som et kompromiss. For eksempel blir sterkere materialer vanligvis stivere, noe som kan redusere deres praktiske bruk.
Så det er på en måte en revolusjon som MIT-forskerne skaper, ved å blande metoder, gjøre et materiale stivere og sterkere, men også gjøre det mer fleksibelt samtidig.
«Vi innså at feltet for metamaterialer egentlig ikke har prøvd å gjøre en innvirkning i det myke materie‑området.
Så langt har vi alle lett etter de stiffeste og sterkeste materialene som er mulig.»
Stærere og mer fleksible: Løser metamaterial‑kompromisset
Så langt er de fleste metamaterialer laget ved en metode lik 3D‑utskrift, som produserer mikroskopiske støtter og rammer.
Kilde: ETH Zurich
I stedet utviklet MIT-forskerne en arkitektur av sammenvevde fjærer, eller spoler, som er iboende mer fleksible.
I deres første eksperiment brukte de et materiale som plexiglass, som normalt er svært stivt, og samlet det «normalt». Når det veves inn i et metamaterial, ble det mykt og fjærende, som gummi.
«Vi åpner opp dette nye territoriet for metamaterialer.
Du kunne skrive ut et dobbelt‑nettverks‑metall eller keramikk, og du kunne få mange av disse fordelene, ved at det ville kreve mer energi å bryte dem, og de ville være betydelig mer strekkbare.»
Dette var en god start, da det kunne bruke sterke materialer og gjøre dem myke og fleksible. Det var imidlertid litt for vellykket, fordi selv om materialet var strekkbart, var det «litt for mykt og ettergivende».
Hydrogel‑inspirert design øker fleksibilitet og holdbarhet
Et annet eksepsjonelt materiale er hydrogel, en type mykt, strekkbart, Jell‑O‑lignende stoff som hovedsakelig består av vann og litt polymerstruktur. Noen hydrogeler er til og med naturlige, som gelatin for eksempel.
MIT‑forskerne har allerede funnet måter å gjøre hydrogel tøffere på, samtidig som de beholder dens myke og strekkbare egenskaper. De gjør dette ved å kombinere flere polymernettverk med svært forskjellige egenskaper, som et nettverk av molekyler som er naturlig stivt og ett som er iboende mykt.
Dermed tilpasset forskerne dette konseptet til deres plexiglass‑metamaterial. De blandet et stivt og sterkt klassisk metamaterial ved hjelp av et rutenett‑lignende rammeverk av støtter og rammer, sammen med et mønster av spoler som vever rundt hver støtte og ramme.
Begge materialnettverk ble laget samtidig, ved bruk av en høy‑presisjon, laserbasert utskriftsteknikk kalt to‑fotons litografi.
Kilde: LiqCreate
Hvordan dobbelt‑nettverks‑metamaterialer presterer i alle skalaer
Det nyoppfunnede dobbelt‑nettverks‑metamaterialet ble deretter testet i ulike størrelser. Noen prøver ble laget med komponenter som målte flere kvadrat‑mikroner, andre opp til flere kvadrat‑millimeter.
De målte deretter den resulterende styrken og fleksibiliteten ved hjelp av høyhastighetskameraer når de presset materialet til dets grense.
Kilde: MIT
Dobbelt‑nettverket viste seg i stand til å strekkes 3× sin egen lengde, noe som er 10× mer enn et konvensjonelt gitter‑mønstre‑metamaterial.
«Tenk på dette vevde nettet som en rot av spaghetti som er viklet rundt et gitter. Når vi bryter det monolittiske gitter‑nettet, følger de brutt delene med, og nå blir all denne spaghettien sammenfiltret med gitterbitene.
Det fremmer mer sammenfiltring mellom vevde fibre, noe som betyr at du får mer friksjon og mer energidissipasjon.»
Det er denne spredningen av energi som er den viktigste drivkraften bak metamaterialets fleksibilitet, siden et første sprekkskade sjelden går rett gjennom og raskt river materialet.
Hvordan strategiske defekter gjør metamaterialer enda tøffere
Motintuitivt oppdaget de også at det var mulig å gjøre det enda sterkere ved å stikke hull i gitteret.
Denne defekten tillater enda mer energidissipasjon og øker den samlede robustheten til sluttproduktet.
«Du kan tenke at dette gjør materialet dårligere. Men vi så at så snart vi begynte å legge til defekter, doblet vi mengden strekk vi klarte, og tredoblet mengden energi vi disipaterte.
Det gir oss et materiale som både er stivt og tøft, noe som vanligvis er en motsigelse.»
Dette tillot forskningsteamet å utvikle et teoretisk rammeverk for bedre å forutsi oppførselen til slike metamaterialer.
Virkelige bruksområder for MITs fleksible metamaterialer
Et slikt blåkopi vil være nyttig i design av rifttette tekstiler og stoffer.
Fleksible halvledere, elektronisk chip‑pakking, og holdbare men ettergivende støttestrukturer som celler kan dyrkes på for vevsreparasjon, kunne også ha nytte av denne teknologien.
Et annet alternativ ville være å bruke dette konseptet med å blande forskjellige metamaterialer (støtter og rammer sammen med spoler) til materialer som i dag er sprø. Det kunne gi dem både mer fleksibilitet og mer robusthet samtidig.
Den samme ideen kan brukes til å legge til nye spesifikasjoner på eksisterende materialer, for eksempel å gjøre dem naturlig reaktive til omgivelsene.
«Så langt har vi snakket om mekaniske egenskaper, men hva om vi også kunne gjøre dem ledende, eller temperatur‑responsive?
For det kunne de to nettverkene lages av forskjellige polymerer som reagerer på temperatur på ulike måter, slik at et stoff kan åpne porene eller bli mer ettergivende når det er varmt, og bli mer stivt når det er kaldt.»
Investering i fremtiden for kommersielle metamaterialer
DuPont
DD Prisdiagram
DuPont er et enormt kjemisk selskap med mange viktige merkede kjemikalier, som Kevlar, Styrofoam, Nomex (brannbeskyttelse), Great Stuff (konstruksjonslim), osv. Deres avanserte polymerforskning og beskyttelsesmaterialmerker kan posisjonere dem til å dra nytte av dobbelt‑nettverks‑metamaterialteknologier.
DuPont er et gammelt selskap med en kompleks historie av oppkjøp, og mer nylig en rekke spin‑offs.
Kilde: DuPont
Disse spin‑offs har separert fra DuPont avdelingene for ernæring og biovitenskap, delvis solgt til Corteva Biosciences (CTVA ), titanprodukter som danner Chemours Company (CC ), og mobilitet.
Det vil også bli separert fra sin elektroniske kjemikalievirksomhet i november 2025, men beholder vannsegmentet (membraner og filtre for vannrensing og avsalting), i motsetning til tidligere planer.
Kilde: DuPont
Dette vil etterlate DuPont som et mye mer fokusert selskap, med kjernevirksomhet innen avanserte polymerer for vannrensing og beskyttelsesutstyr, samt avanserte materialer for romfart, helsevesen og elektriske kjøretøy.
Kilde: DuPont
DuPont er en virkelig internasjonal korporasjon, med høy etterspørsel etter spesialkjemikalier i vannrensing og industriell produksjon.
Sektorene som betjenes av DuPonts kjemikalier er også svært varierte, inkludert bygg, vannrensing, elektronikkindustrien, bilindustri, romfart, helsevesen, grønn energi og industriell produksjon.
Kilde: DuPont
Den sterke tilstedeværelsen til DuPont i beskyttelsesutstyr og den etablerte posisjonen med Kevlar‑merket, et høy‑ytelses polymer, bør hjelpe dem med å tilpasse nye former for metamaterialer til kommersielle produkter.
I alle fall, etter hvert som nye teknologier vokser, og vannforbruket øker, gjør også etterspørselen etter de avanserte kjemikaliene som produseres av DuPont.
Siste nyheter om Dupont
Studier Referert:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Mekaniske metamaterialer inspirert av dobbeltnettverk. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
