Metamateriaal
'Over het tellende blok rubber dat de onderzoekers classificeren als metamateriaal schreven ze een artikel dat gepubliceerd is in het vaktijdschrift Physical Review Letters', aldus AMOLF.
'Materiaal telt tot tien'
Promovendus Kwakernaak komt breed lachend binnen met het pronkstuk in zijn handen: een stuk zacht rubber met daarin 22 balkjes. ”Dit is ons metamateriaal. Duw er maar eens op”, moedigt hij aan. Het resultaat is onverwacht. De balkjes buigen allemaal naar links, behalve de eerste, die buigt naar rechts. "Dat eerste balkje duwt vervolgens de tweede en dan de derde naar rechts en dat schuift elke keer dat je duwt een positie op. Zo telt het materiaal tot tien.”
Materiaal met geheugen
Het rubber is een voorbeeld van een mechanisch metamateriaal: een materiaal waarvan de eigenschappen niet alleen bepaald worden door de moleculaire samenstelling, maar ook door de structuur. De groep van Van Hecke onderzoekt hoe je met simpele materialen informatie kan verwerken, een beetje zoals een computer. Een balkje dat van links naar rechts knakt, kun je vergelijken met een computerbit die nul of één is. “Het is niet makkelijk om de structuur zo te ontwerpen dat het reageert zoals we willen”, licht Kwakernaak toe. “Tellen is de simpelste berekening die we konden verzinnen, dus dat was een logisch startpunt.”
Meer of minder kracht
“Bij het ontwikkelen van zo’n materiaal probeer je de spelregels te ontdekken”, vertelt de promovendus. “Wat kun je wel of niet doen? De spelregel gaat hier over het contact dat een balkje met zijn buren heeft.” De onderzoekers gingen nog een stap verder dan tellen. “Ik kwam er gaandeweg achter dat je verschillende reacties in het rubber kan veroorzaken door met meer of minder kracht te duwen. Door hiermee te experimenteren kon ik een metamateriaal maken dat alleen tot tien telt als je er in de juiste volgorde en met de juiste krachten op duwt. Alsof je de juiste sleutel in een slot steekt.”
Simpele oplossingen voor allerlei problemen
De vraag is natuurlijk: waarom zou je een blok rubber laten tellen als we dat ook met computers kunnen? Een mogelijke toepassing is het tellen van auto’s in verschillende gewichtsklasses terwijl ze over een brug rijden – en die werkt zonder dat er een energiebron nodig is. Of bijvoorbeeld een stappenteller, want je kunt het metamateriaal zo groot of klein maken als je wilt. “Het grote voordeel is dat zulke mechanische metamaterialen goedkoop, robuust en niet onderhoudsgevoelig zijn”, zegt Kwakernaak. “Dat maakt ze interessant voor allerlei toepassingen. Het is voor ons lastig te zeggen wat die precies zullen zijn, maar zulke nieuwe materialen blijken altijd een nut te vinden. Eerder onderzoek naar een materiaal dat als origami opvouwt inspireerde bijvoorbeeld het vouwen van zonnepanelen op een satelliet.”
'Voel me soms een professionele hobbyist'
Kwakernaak zelf vindt het vooral leuk om te zien hoe ogenschijnlijk simpele dingen zich heel complex kunnen gedragen. “Hoe zo’n dun balkje buigt is veel ingewikkelder dan je misschien denkt. Een computer kan het zelfs nauwelijks simuleren.” Hij lacht: “Het voelt soms bijna alsof ik een professionele hobbyist ben.” Zijn volgende stap is om een ingewikkeldere structuur te verzinnen, waarbij er niet slechts in één richting interactie tussen buren is, maar in een vlak. “Dat zou feitelijk een simpele computer zijn.”