Physiker entwerfen Metamaterialien mit eingebauter Frustration für das mechanische Gedächtnis

Forscher des UvA-Instituts für Physik und der ENS de Lyon haben herausgefunden, wie man Materialien entwerfen kann, die unbedingt einen Punkt oder eine Linie haben, an denen sich das Material unter Belastung nicht verformt, und die sich sogar daran erinnern, wie sie in der Vergangenheit gestochen oder gequetscht wurden. Diese Ergebnisse könnten in Robotik und mechanischen Computern verwendet werden, während ähnliche Designprinzipien in Quantencomputern verwendet werden könnten.

Das Ergebnis ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der Metamaterialien: Designermaterialien, deren Reaktionen eher von ihrer Struktur als von ihrer chemischen Zusammensetzung bestimmt werden. Um ein Metamaterial mit mechanischem Gedächtnis zu konstruieren, erkannten die Physiker Xiaofei Guo, Marcelo Guzmán, David Carpentier, Denis Bartolo und Corentin Coulais, dass sein Design „frustriert“ werden muss und dass diese Frustration einer neuen Art von Ordnung entspricht, die sie Non nennen -orientierbare Ordnung.

Physik mal anders

Ein einfaches Beispiel für ein nicht orientierbares Objekt ist ein Möbius-Streifen, der hergestellt wird, indem man einen Materialstreifen nimmt, ihm eine halbe Drehung hinzufügt und dann seine Enden zusammenklebt. Sie können dies zu Hause mit einem Papierstreifen ausprobieren. Wenn Sie mit Ihrem Finger der Oberfläche eines Möbius-Streifens folgen, werden Sie feststellen, dass sich Ihr Finger auf der anderen Seite des Papiers befindet, wenn Sie zum Ausgangspunkt zurückkehren.

Ein Möbius-Streifen ist nicht orientierbar, da es keine Möglichkeit gibt, die beiden Seiten des Streifens konsistent zu beschriften; Durch die Drehung wird die gesamte Oberfläche eins. Dies steht im Gegensatz zu einem einfachen Zylinder (ein Streifen ohne Drehungen, dessen Enden zusammengeklebt sind), der eine unterschiedliche Innen- und Außenfläche hat.

Guo und ihre Kollegen erkannten, dass diese Nichtorientierbarkeit einen großen Einfluss darauf hat, wie ein Objekt oder Metamaterial auf Druck oder Druck reagiert. Wenn Sie einen einfachen Zylinder und einen Möbius-Streifen auf eine ebene Fläche legen und von oben darauf drücken, werden Sie feststellen, dass sich alle Seiten des Zylinders nach außen (oder innen) wölben, während die Seiten des Möbius-Streifens dazu nicht in der Lage sind das gleiche. Vielmehr sorgt die Nichtausrichtbarkeit des letzteren dafür, dass es entlang des Bandes immer einen Punkt gibt, an dem es sich unter Druck nicht verformt.

Frustration ist nicht immer etwas Schlechtes

Interessanterweise geht dieses Verhalten weit über Möbius-Streifen hinaus.

„Wir haben herausgefunden, dass das Verhalten nicht orientierbarer Objekte wie Möbius-Streifen es uns ermöglicht, jedes Material zu beschreiben, das global frustriert ist. Diese Materialien wollen natürlich geordnet werden, aber etwas in ihrer Struktur verhindert, dass sich die Ordnung über das gesamte System erstreckt, und erzwingt dies.“ „Ein geordnetes Muster verschwindet an einem Punkt oder einer Linie im Raum. Es gibt keine Möglichkeit, diesen Fluchtpunkt loszuwerden, ohne die Struktur zu zerschneiden, also muss er auf jeden Fall da sein“, erklärt Coulais, der das Labor für Maschinenmaterialien am Institut leitet Universität Amsterdam.

Das Forschungsteam entwarf und druckte seine eigenen mechanischen Metamaterialstrukturen in 3D, die das gleiche frustrierte und nicht ausrichtbare Verhalten wie Möbius-Streifen zeigen. Ihre Entwürfe basieren auf Ringen aus Quadraten, die an ihren Ecken durch Scharniere verbunden sind. Wenn diese Ringe zusammengedrückt werden, drehen sich benachbarte Quadrate in entgegengesetzte Richtungen, sodass ihre Kanten näher zusammenrücken. Durch die entgegengesetzte Rotation der Nachbarn ähnelt die Reaktion des Systems der antiferromagnetischen Ordnung, die in bestimmten magnetischen Materialien auftritt.

Ringe, die aus einer ungeraden Anzahl von Quadraten bestehen, sind frustriert, da es keine Möglichkeit gibt, dass sich alle benachbarten Quadrate in entgegengesetzte Richtungen drehen. Zusammengedrückte ungeradzahlige Ringe weisen daher eine nichtorientierbare Ordnung auf, bei der der Rotationswinkel an einem Punkt entlang des Rings gegen Null gehen muss.

Da es sich um ein Merkmal der Gesamtform des Materials handelt, handelt es sich um eine robuste topologische Eigenschaft. Durch die Verbindung mehrerer Metaringe ist es sogar möglich, die Mechanik höherdimensionaler topologischer Strukturen wie der Klein-Flasche nachzuahmen.

Mechanisches Gedächtnis

Ein erzwungener Punkt oder eine erzwungene Linie ohne Verformung ist der Schlüssel zur Ausstattung von Materialien mit mechanischem Gedächtnis. Anstatt einen Metamaterialring von allen Seiten zu drücken, können Sie den Ring an bestimmten Stellen drücken. Dabei bestimmt die Reihenfolge, in der Sie auf verschiedene Punkte drücken, wo der Null-Verformungspunkt oder die Null-Verformungslinie endet.

Dies ist eine Form der Informationsspeicherung. Es kann sogar zur Ausführung bestimmter Arten von Logikgattern verwendet werden, die die Grundlage jedes Computeralgorithmus bilden. Ein einfacher Ring aus Metamaterial kann somit als mechanischer Computer fungieren.

Über die Mechanik hinaus deuten die Ergebnisse der Studie darauf hin, dass Nichtorientierung ein robustes Designprinzip für Metamaterialien sein könnte, die Informationen über Skalen hinweg effektiv speichern können, und zwar in so unterschiedlichen Bereichen wie der Kolloidwissenschaft, Photonik, Magnetismus und Atomphysik. Es könnte sogar für neuartige Quantencomputer nützlich sein.

Coulais kommt zu dem Schluss: „Als nächstes wollen wir die Robustheit der verschwindenden Verformungen für die Robotik nutzen. Wir glauben, dass die verschwindenden Verformungen genutzt werden könnten, um Roboterarme und -räder mit vorhersehbaren Biege- und Fortbewegungsmechanismen zu schaffen.“

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.