Materialvetenskap
Lasertryckta metamaterial är nu starkare och mer flexibla
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
MIT-genombrott gör styva material flexibla med metamaterial
Materialvetenskap är området för att bättre förstå material på mikroskopisk, ofta atomär nivå, för att göra dem bättre. Det vanligaste målet är att göra ett material starkare än i dess klassiska form, vare sig det är stål, glas eller keramik.
Metamaterial tar ett steg längre genom att förändra materialets struktur, vilket ger det andra egenskaper än de som basmaterialen har. Detta uppnås oftast genom att skapa upprepande mönster med exakt form, geometri, storlek, orientering osv.
Källa: MIT
Här också har den största delen av forskningen fokuserat på att göra den slutliga produkten starkare än dess grundkomponent, med potentiella superstål, kolfiber, silke och andra material som kan användas i kroppsskydd, byggnation eller futuristiska projekt som rymdliftar.
En ny typ av metamaterial uppfinns nu, vilket gör annars styva och hårda element flexibla. Denna upptäckt gjordes av MIT-forskare och publicerades i Nature Materials1, under titeln “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Hur metamaterial överträffar traditionella material
Skapandet av regelbundna mikrostrukturer på ett kontrollerat sätt kan leda till förbättrad prestanda för ett material jämfört med dess grundkomponent. Detta kan påverkas av många olika egenskaper, såsom elektromagnetiska, akustiska, strukturell styrka, termiska osv.
Generellt innebär detta en avvägning. Till exempel blir starkare material vanligtvis styvare, vilket kan minska deras praktiska användning.
Det är alltså en slags revolution som MIT-forskarna skapar, genom att kombinera metoder, göra ett material styvare och starkare, men samtidigt göra det mer flexibelt.
“Vi insåg att fältet för metamaterial egentligen inte har försökt göra avtryck inom mjukt material.
Hittills har vi alla letat efter de styvaste och starkaste materialen som möjligt.
Starkare och mer flexibla: löser metamaterialets avvägning
Hittills har de flesta metamaterial tillverkats med en metod liknande 3D-utskrift, vilket producerar mikroskopiska stag och tvärbalkar.
Källa: ETH Zurich
Istället utvecklade MIT-forskarna en arkitektur av sammanflätade fjädrar, eller spolar, som är naturligt mer flexibla.
I deras första experiment använde de ett material som plexiglas, som borde vara mycket stelt, och monterade det “vanligt”. När det vävdes in i ett metamaterial blev det mjukt och fjädrande, som gummi.
“Vi öppnar upp detta nya område för metamaterial.
Du skulle kunna skriva ut ett dubbelnätverk av metall eller keramik, och du skulle få många av dessa fördelar, eftersom det skulle kräva mer energi att bryta dem, och de skulle vara betydligt mer töjbara.
Det var en bra början, eftersom det kunde använda starka material och göra dem mjuka och flexibla. Det var dock lite för framgångsrikt, eftersom materialet var töjbart men “lite för mjukt och följsamt”.
Hydrogelinspirerad design ökar flexibilitet och hållbarhet
Ett annat exceptionellt material är hydrogel, en typ av mjukt, töjbart, gelatinliknande ämne som huvudsakligen består av vatten och en liten mängd polymerstruktur. Vissa hydrogeler är till och med naturliga, som gelatin till exempel.
MIT-forskare har redan hittat sätt att göra hydrogel tuffare, samtidigt som de behåller dess mjuka och töjbara egenskaper. De gör detta genom att kombinera flera polymernätverk med mycket olika egenskaper, såsom ett nätverk av molekyler som är naturligt stelt och ett som är inneboende mjukt.
Så anpassade forskarna detta koncept till deras plexiglas-metamaterial. De blandade ett stelt och starkt klassiskt metamaterial med ett rutnätsliknande stöd av stag och tvärbalkar, tillsammans med ett mönster av spolar som vävs runt varje stag och tvärbalk.
Båda materialnäten tillverkades samtidigt, med en högprecisions, laserbaserad utskriftsteknik som kallas tvåfotonlithografi.
Källa: LiqCreate
Hur dubbelnätverks-metamaterial presterar i alla skala
Det nyuppfunna dubbelnätverks-metamaterialet testades sedan i olika storlekar. Vissa prover tillverkades med komponenten som mäter flera kvadratmikrometer, andra upp till flera kvadratmillimeter.
De mätte sedan den resulterande styrkan och flexibiliteten med högupplösta kameror när materialet pressades till sin gräns.
Källa: MIT
Dubbelnätverket visade sig kunna sträcka sig 3 gånger sin egen längd, vilket är 10 gånger längre än ett konventionellt gittermönstrat metamaterial.
“Tänk på detta vävda nätverk som en röra av spaghetti som trasslar sig runt ett gitter. När vi bryter det monolitiska gitternätverket följer de brutna delarna med, och nu blir all denna spaghetti intrasslad med gitterbitarna.
Det främjar mer intrassling mellan de vävda fibrerna, vilket betyder att du får mer friktion och mer energidissipation.
Det är denna spridning av energi som är den viktigaste drivkraften för metamaterialets flexibilitet, eftersom en initial spricka sällan går rakt igenom och snabbt river materialet.
Hur strategiska defekter gör metamaterial ännu tuffare
Motsägelsefullt nog upptäckte de också att det var möjligt att göra det ännu starkare genom att göra hål i gitterstrukturen.
Denna defekt möjliggör ännu mer energidissipation och ökar den totala motståndskraften hos den slutliga produkten.
“Du kanske tror att detta gör materialet sämre. Men vi såg att när vi började lägga till defekter fördubblade vi den sträckningsgrad vi kunde uppnå, och tredubblade den mängd energi som vi dissiperade.
Det ger oss ett material som är både stelt och tufft, vilket vanligtvis är en motsägelse.
Detta gjorde det möjligt för forskarteamet att utveckla ett teoretiskt ramverk för att bättre förutsäga beteendet hos sådana metamaterial.
Verkliga tillämpningar för MIT:s flexibla metamaterial
En sådan ritning kommer att vara användbar vid design av rivsäkra textilier och tyger.
Flexibla halvledare, förpackning av elektroniska chip och hållbara men följsamma stödstrukturer för att odla celler för vävnadsreparation kan också dra nytta av denna teknik.
Ett annat alternativ skulle vara att använda detta koncept med att blanda olika metamaterial (stag och tvärbalkar tillsammans med spolar) till de material som för närvarande är spröda. Det skulle kunna ge dem både mer flexibilitet och mer motståndskraft samtidigt.
Samma idé kan användas för att lägga till nya specifikationer till befintliga material, till exempel att göra dem naturligt reaktiva mot sin omgivning.
“Hittills har vi talat om mekaniska egenskaper, men vad om vi också kunde göra dem ledande, eller temperaturkänsliga?
För det kan de två nätverken tillverkas av olika polymerer som reagerar på temperatur på olika sätt, så att ett tyg kan öppna sina porer eller bli mer följsamt när det är varmt och kan bli styvare när det är kallt.
Investera i framtiden för kommersiella metamaterial
DuPont
DD Prisdiagram
DuPont är ett enormt kemiföretag med många viktiga varumärkta kemikalier, såsom Kevlar, Styrofoam, Nomex (brandsskydd), Great Stuff (byggadhesiv), etc. Dess avancerade polymerforskning och skyddsmaterialvarumärken kan positionera dem för att dra nytta av dubbelnätverks-metamaterialteknologier.
DuPont är ett gammalt företag med en komplex historia av förvärv, och på senare tid en rad avknoppningar.
Källa: DuPont
Dessa avknoppningar har separerat från DuPont avdelningarna för nutrition och biovetenskap, delvis sålda till Corteva Biosciences (CTVA ), titanprodukter som bildar Chemours Company (CC ), och mobilitet.
Det kommer också att separera från sin elektronik‑kemikalieverksamhet i november 2025, men behålla vattensegmentet (membran och filter för vattenrening och avsaltning), i motsats till tidigare planer.
Källa: DuPont
Detta kommer att göra DuPont till ett mycket mer fokuserat företag, med kärnverksamhet inom avancerade polymerer för vattenrening och skyddsutrustning, samt avancerade material för rymdindustrin, sjukvård och elfordon.
Källa: DuPont
DuPont är ett verkligt internationellt företag, med stor efterfrågan på specialkemikalier inom vattenrening och industriell tillverkning.
De sektorer som DuPonts kemikalier betjänar är också mycket varierade, inklusive byggnation, vattenrening, elektronikindustrin, fordonsindustrin, rymdindustrin, sjukvård, grön energi och industriell produktion.
Källa: DuPont
Den starka närvaron av DuPont inom skyddsutrustning och den etablerade positionen med Kevlar-varumärket, en högpresterande polymer, bör hjälpa dem att anpassa nya former av metamaterial till kommersiella produkter.
I vilket fall som helst, i takt med att ny teknik växer, liksom vattenförbrukningen, ökar också efterfrågan på de avancerade kemikalier som DuPont producerar.
Senaste om Dupont
Studier Refererade:
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
