Wyboczony materiał, który jest zarówno sztywny, jak i dobrze pochłania wibracje. Źródło: D. Dykstra i in.

Wolałbyś wpaść na ścianę z cegły czy na materac? Większość ludzi uznałaby tę decyzję za oczywistą. Twardość ceglanej ściany nie tłumi skutecznie wstrząsów ani drgań, natomiast materac swoją miękkością świetnie je absorbuje. Co ciekawe, w dziedzinie projektowania materiałów obie te cechy mogą być pożądane.

Materiały muszą doskonale rozpraszać wibracje, a jednocześnie zachowywać wystarczającą sztywność, aby zapobiec zapadaniu się pod znacznym ciśnieniem. Zespół naukowców z Instytutu Fizyki UvA znalazł teraz sposób na zaprojektowanie materiałów, które spełniają obie te funkcje.

Zwykle te dwie charakterystyki materiału wzajemnie się wykluczają: coś jest albo sztywne, albo dobrze pochłania wibracje – ale rzadko jedno i drugie. Jednak gdybyśmy mogli wytwarzać materiały, które są zarówno sztywne, jak i dobrze pochłaniają wibracje, byłoby całe mnóstwo potencjalnych zastosowań, od projektowania w nanoskali po inżynierię lotniczą.

Próbkę metamateriału gumowego z masą na wierzchu poddaje się wzbudzeniom: najpierw o rosnących, a następnie o malejących częstotliwościach. Pod wpływem dużego wzbudzenia próbka wygina się. Wyboczenie jest bardziej wyraźne przy malejącej częstotliwości. Źródło: Uniwersytet w Amsterdamie

Wyginanie załatwia sprawę

Zespół naukowców z Uniwersytetu w Amsterdamie znalazł teraz sposób na stworzenie materiałów, które są sztywne, ale nadal dobrze pochłaniają wibracje – i co równie ważne, które mogą być bardzo lekkie.

David Dykstra, główny autor publikacji, wyjaśnia: „Odkryliśmy, że sztuczka polega na użyciu materiałów, które się wyginają, takich jak cienkie blachy. Złożone w sprytny sposób konstrukcje z takich pofałdowanych blach świetnie pochłaniają drgania – ale jednocześnie zachowują sporo sztywności materiału, z którego są wykonane. Co więcej, arkusze nie muszą być bardzo grube, dzięki czemu materiał może być stosunkowo lekki”.

Obraz (początek artykułu) pokazuje przykład materiału, który wykorzystuje to wyboczenie blach do połączenia wszystkich tych pożądanych właściwości.

Próbkę metamateriału metalowego z masą na wierzchu poddaje się wzbudzeniom: najpierw o rosnącej, a następnie o malejącej częstotliwości. Pod wpływem dużego wzbudzenia próbka wygina się. Wyboczenie jest bardziej wyraźne przy malejącej częstotliwości. Źródło: Uniwersytet w Amsterdamie

Mnóstwo aplikacji

Naukowcy dokładnie zbadali właściwości tych wyboczonych materiałów i odkryli, że wszystkie one wykazują tę magiczną kombinację sztywności i zdolności do rozpraszania wibracji. Ponieważ znane materiały nie mają tej pożądanej kombinacji właściwości, nowe materiały laboratoryjne (lub[{” attribute=””>metamaterials) have a very wide range of potential applications, and at a very wide range of scales.

Possible uses range from meter-sized (think of aerospace, automotive applications, and many other civil designs) to the microscale (applications such as microscopes or nanolithography).

Dykstra: “Humans like to build things – small things and big things – and we almost always want these structures to be light. If that can be done with materials that are both stiff and good at shock-absorbing, many existing designs can be improved and many new designs become possible. There really is no end to the possible applications!”

Reference: “Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping” by David M.J. Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier and Corentin Coulais, 18 May 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202301747