Materiaal met eigenschappen bepaald door structuur
Wetenschappers zoeken voortdurend naar materialen met nieuwe, bruikbare eigenschappen. Anastasiia Krushynska heeft een andere aanpak: zij ontwerpt en maakt metamaterialen, waarvan de eigenschappen bepaald zijn door hun structuur. Deze materialen zijn veelzijdig, ze zijn bijvoorbeeld te gebruiken om precisie-instrumenten te verbeteren, of als bot-vriendelijk implantaat.
Staal is hard, rubber flexibel en wol is zacht en kriebelig. We beschrijven materialen vaak op basis van hun eigenschappen. Maar de eigenschappen van metamaterialen – vaak composieten – ontstaan door de structuur die ze hebben. Krushynska toont een 3D geprint plastic model van zo’n structuur. ‘Als deze structuur de gewenste eigenschappen heeft, zouden we hem van metaal kunnen maken zonder dat de eigenschappen veranderen. Het materiaal is secundair’, legt zij uit.
Metamaterialen zijn gemaakt van driedimensionale structurele bouwstenen, de eenheidscel. Sommige metamaterialen bestaan uit één type bouwsteen, andere combineren verschillende typen. Krushynska maakt metamaterialen voor allerlei toepassingen, van zachte grijpers voor robots tot materialen die geluidsgolven veranderen of trillingen dempen, en ook botimplantaten. ‘De fundamentele kant van ons werk is het achterhalen van de natuurkundige regels van dit soort door structuur bepaalde eigenschappen.’
Een voorbeeld is materiaal dat laagfrequente trillingen dempt in pijpen waar vloeistof doorheen stroomt om precisie-instrumenten te koelen. ‘Die trillingen beperken de precisie van deze machines.’ Het dempen van laagfrequente trillingen in lange pijpen is een uitdaging. ‘Er waren nog geen materialen die trillingen onder de 10 Herz kunnen stoppen.’
Toen ze aan deze uitdaging begon wist Krushynska niet of metamaterialen dit wél zouden kunnen. Door de vloeistofstroom in pijpen te modelleren en dat model een aantal weken te laten draaien op een groot computercluster wist haar groep ideeën te genereren voor geschikte materialen. ‘Maar de eerste theoretische structuur die we vonden was veertig meter lang, dus die moesten we aanpassen zodat hij klein genoeg werd om in de machine te passen, en toch de laagfrequente trillingen zou dempen.’
Metamaterialen hebben enorm veel mogelijkheden. ‘We werken ook aan materialen die de geluiden in een klaslokaal of sporthal dempen, of het geluid in pijplijnen onder water.’ Haar studenten komen regelmatig met ideeën voor nieuwe structuren, die ze dan direct kunnen maken op de 3D printer. ‘Dan krijgen ze een prototype waarmee ze kunnen zien of de structuur werkt zoals ze verwachten. Die manier van werken vinden ze enorm leuk.’
Tekst: FSE Science Newsroom | René Fransen
Foto’s: Reyer Boxem
In Makers van de RUG belichten we elke twee weken een onderzoeker die iets concreets heeft ontwikkeld: van zelfgemaakte meetapparatuur voor wetenschappelijk onderzoek tot kleine of grote producten die ons dagelijks leven kunnen veranderen. Zo dragen RUG-onderzoekers bij aan oplossingen voor grote wetenschappelijke en maatschappelijke uitdagingen. Eerdere portretten van Makers van de RUG vind je op de overzichtspagina.
Techniekonderwijs en -onderzoek maken bij de RUG al decennia deel uit van een breed palet aan sterke disciplines en landelijk werken we steeds intensiever samen met de vier technische universiteiten.