Deze glimlach ontstaat onder druk

Metamateriaal Een kubus van vervormbare blokjes kan onder druk versmallen of verbreden. Maar de blokjes kunnen onder druk ook een smiley produceren.

Door de druk van boven en onder op te voeren ontstaat op de zijkant van dit kubusvormige metamateriaal een smiley. De kubus is opgebouwd uit vervormbare basiselementen (onder) die volgens een uitgekiend patroon zijn gerangschikt. Foto’s Coulais et al

Corentin Coulais pakt een kubus van groenig wit plastic, die er uitziet als een uitgedijde versie van Rubiks kubus. Hij stopt hem in een pers, die de kubus langzaam samenperst. „Daar komt-ie”, zegt Coulais. En jawel, sommige vlakjes aan één kant van de kubus stulpen uit, anderen trekken naar binnen. Langzamerhand verschijnt een patroon: een smiley.

„Dat is de truc”, zegt de natuurkundige. Hij beschreef hem gisteren, met collega’s, in Nature. Coulais is postdoctoraal onderzoeker aan de universiteit Leiden en aan het instituut AMOLF in Amsterdam. Op de werkbanken in het nieuwe AMOLF-laboratorium in de Watergraafsmeer staan vier 3D-laserprinters. Coulais: „Daarmee printen we de mallen. Als die klaar zijn gieten we het rubber erin.” Hij laat een grote injectiespuit zien. Laten uitharden tot flexibel plastic, de mal oplossen met heet water, en het metamateriaal op maat is klaar.

Metamaterialen zijn materialen met andere eigenschappen dan de elementen waaruit ze zijn opgebouwd. De eerste metamaterialen in 2001 bestonden uit rasters van elektrische componenten, die samen elektromagnetische straling op verrassende manieren afbogen.

Coulais’ Leids-Amsterdamse groep heeft het principe uitgebreid naar mechanische metamaterialen, waarbij de mechanica van het geheel anders is dan die van de losse onderdelen. Die losse onderdelen zijn in dit geval flexibele kubusjes die groepsleider Martin van Hecke twee jaar geleden bedacht.

Coulais pakt een flexibel, hol kubusje, en knijpt erin. „Kijk, als ik zo knijp, dan stulpen alle andere vlakken naar buiten”, zegt hij. Dan knijpt hij langs een andere as, „maar zo stulpen er twee vlakken naar buiten, en twee naar binnen.”

De vraag is wat er gebeurt als je een metamateriaal bouwt door grote hoeveelheden van zulke elementjes in verschillende oriëntaties te stapelen. Coulais: „Er zijn enorm veel stapelingen waarbij het materiaal dan gefrustreerd is.” Dat wil zeggen: als je het bouwsel indrukt, komen de uitstulpingen van naburige kubusjes met elkaar in de knel.

Met theoretisch natuurkundigen van de Universiteit van Tel Aviv begon de zoektocht naar niet-gefrustreerde configuraties. „De eenvoudigste is er een waarbij de kubusjes netjes om en om georiënteerd zijn.” Hij geeft een groene rubberen kubus van vijf bij vijf vlakjes aan. Die voelt als een speelgoedje, en hij laat zich gemakkelijk samenknijpen.

„Dat is niet zo’n heel interessante”, zegt Coulais. Leuker wordt het als alle elementjes hun eigen oriëntatie op maat hebben. Gemakkelijk is dat niet. De regels perken je vrijheid nogal in, zegt Coulais. Elementjes die in een rijtje liggen moeten bijvoorbeeld altijd om en om in- en uitstulpen. Het betekent dat het patroon aan de achterkant van een kubus altijd hetzelfde is als, ofwel het spiegelbeeld is van het patroon op de voorkant.

Maar omdat je ieder elementje op drie verschillende manieren kunt oriënteren, houd je net genoeg vrijheid over om het patroon op één vlak van de kubus te bepalen, ontdekten de onderzoekers.

Dat werd dus, met enig PR-instinct, de smiley.

In de Nature-publicatie staat ook dat zo’n metamateriaalkubus als een soort slot kan fungeren: de indrukweerstand van het geheel is dan hoog door frustratie, behalve als vlakjes worden ingedrukt in een specifiek sleutelpatroon, een puntpatroon dat in de aandrukplaten is verwerkt. Coulais: „Dat gedrag zit ergens tussen een machine en een materiaal in, daarom noemen we het machine materials.”

En wat kun je daarmee? „We praten met onderzoekers van de TU Delft, over speciale materialen voor protheses”, zegt Coulais. „En ken je het lotusblad-effect?” Sommige materialen zijn extreem waterafstotend door een patroon van micrometergrote bobbels op het oppervlak. „Dat zou je met een mechanisch metamateriaal op commando aan en uit kunnen zetten.”

Maar om eerlijk te zijn, zegt Coulais, zijn toepassingen meer iets voor andere onderzoekers. „Wij zijn nog wel even bezig met uitzoeken hoe dit nu precies werkt.”