Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
EN

Transistoren en andere elektronische componenten laten elektrische stroom maar in één richting door. Hoe mooi zou het zijn als we materialen konden maken die iets soortgelijks doen voor mechanische trillingen? Voor allerlei toepassingen zou het enorm nuttig zijn als we konden beschikken over materialen die trillingen in één richting doorlaten, maar niet in een andere. In de natuur komen zulke materialen niet voor, maar een groep natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam heeft nu een metamateriaal ontworpen dat precies deze eigenschap heeft.

Het nieuw ontworpen materiaal. Van links naar rechts laat het trillingen door; van rechts naar links niet.

Materialen die deze ‘eenzijdige voortplanting van beweging’ vertonen, zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om structuren te bouwen die beter tegen aardbevingen kunnen. Gewone materialen laten met behulp van mechanische trillingen in elke richting informatie en energie door – zowel gewenst als ongewenst. Dit gebeurt op elke schaal: het aardoppervlak tijdens een aardbeving is een voorbeeld, maar hetzelfde gebeurt met een aangeslagen gitaarsnaar of met lichaamsweefsel tijdens een echo.

Robotische meta-atomen

In hun onderzoek, donderdag gepubliceerd in Nature Communications, ontwierpen de vier natuurkundigen een ‘robotisch’ metamateriaal. Elke bouwsteen van dit materiaal is een minuscule robot die in staat is het gedrag van zijn buren te voelen en daarnaar te handelen. Met behulp van de programmeerbare ‘feedback loops’ die dit gedrag mogelijk maken, slaagden  de onderzoekers erin om de bewegingssymmetrie in het materiaal te verbreken. Het resultaat: een willekeurige bouwsteen reageert anders op een verplaatsing van zijn linkerbuur dan op een verplaatsing van de rechter.

Versterking in één richting

Door verschillende bouwstenen met elkaar te verbinden, maakten de onderzoekers een metamateriaal met een unieke eigenschap: golven die zich in dit materiaal voortplanten worden gedempt in de ene richting, maar juist versterkt als ze in de tegenovergestelde richting bewegen. Het nieuwe robotische materiaal is de sleutel tot de ontwikkeling van nieuwe systemen die golven geleiden en waarmee ongewenste trillingen op de sterke delen van een structuur gefocust kunnen worden. Behalve voor het bouwen van stevige structuren kan deze eenzijdige versterking bijvoorbeeld ook gebruikt worden om in allerlei situaties overtollige energie in het gareel te houden, of om te zorgen dat nauwkeurige metingen het gemeten object zelf niet verstoren.

Publicatie

Non-reciprocal robotic metamaterials, Martin Brandenbourger, Xander Locsin, Edan Lerner en Corentin Coulais. Nature Communications 10, 4608 (2019) .