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Nov 27, 2023

Eine magische Kombination

Von der Universität Amsterdam, 5. Juni 2023 Ein geknicktes Material, das sowohl steif als auch ist

Von der Universität Amsterdam, 5. Juni 2023

Ein geknicktes Material, das sowohl steif ist als auch Vibrationen gut absorbiert. Bildnachweis: D. Dykstra et al.

Würden Sie lieber gegen eine Mauer oder gegen eine Matratze rennen? Die Mehrheit der Menschen würde diese Entscheidung als unkompliziert empfinden. Die Härte einer Ziegelmauer dämpft Stöße oder Vibrationen nicht wirksam, wohingegen eine Matratze mit ihrer Weichheit als hervorragender Absorber für solche Stöße dient. Interessanterweise können im Bereich des Materialdesigns beide Eigenschaften erwünscht sein.

Materialien müssen in der Lage sein, Vibrationen abzuleiten und gleichzeitig eine ausreichende Steifigkeit beizubehalten, um ein Zusammenbrechen unter erheblichem Druck zu verhindern. Ein Forscherteam des UvA Institute of Physics hat nun einen Weg gefunden, Materialien zu entwerfen, die beides leisten.

Normalerweise schließen sich die beiden Eigenschaften eines Materials gegenseitig aus: Entweder ist etwas steif, oder es kann Vibrationen gut absorbieren – selten jedoch beides. Wenn wir jedoch Materialien herstellen könnten, die sowohl steif sind als auch Vibrationen gut absorbieren, gäbe es eine ganze Reihe potenzieller Anwendungen, vom Design im Nanomaßstab bis zur Luft- und Raumfahrttechnik.

Eine Gummi-Metamaterialprobe mit einer Masse darauf wird Anregungen ausgesetzt: zunächst mit zunehmender Frequenz und dann mit abnehmender Frequenz. Bei starker Erregung knickt die Probe ein. Das Knicken ist mit abnehmender Häufigkeit stärker ausgeprägt. Bildnachweis: Universität Amsterdam

Ein Forscherteam der Universität Amsterdam hat nun einen Weg gefunden, Materialien zu schaffen, die steif sind, aber dennoch Vibrationen gut absorbieren – und, was ebenso wichtig ist, die sehr leicht gehalten werden können.

David Dykstra, Hauptautor der Veröffentlichung, erklärt: „Wir haben herausgefunden, dass der Trick darin besteht, Materialien zu verwenden, die sich verbiegen, wie dünne Metallbleche. Wenn man sie auf clevere Weise zusammenfügt, werden Konstruktionen aus solchen verformten Blechen zu großartigen Schwingungsabsorbern – Gleichzeitig bewahren sie jedoch einen Großteil der Steifigkeit des Materials, aus dem sie hergestellt sind. Darüber hinaus müssen die Platten nicht sehr dick sein, sodass das Material relativ leicht gehalten werden kann.“

Das Bild (am Anfang des Artikels) zeigt ein Beispiel für ein Material, das diese Verformung von Blechen nutzt, um alle diese gewünschten Eigenschaften zu vereinen.

Eine metallische Metamaterialprobe mit einer Masse darauf wird Anregungen ausgesetzt: zunächst mit zunehmender Frequenz und dann mit abnehmender Frequenz. Bei starker Erregung knickt die Probe ein. Das Knicken ist mit abnehmender Häufigkeit stärker ausgeprägt. Bildnachweis: Universität Amsterdam

The researchers thoroughly investigated the properties of these buckled materials and found that they all showed this magical combination of stiffness and the ability to dissipate vibrations. As known materials do not have this desired combination of properties, the new lab-made materials (or metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Metamaterialien) haben ein sehr breites Spektrum potenzieller Anwendungen und in einem sehr breiten Spektrum von Maßstäben.

Mögliche Anwendungen reichen von metergroßen (denken Sie an Luft- und Raumfahrt, Automobilanwendungen und viele andere zivile Designs) bis hin zum Mikromaßstab (Anwendungen wie Mikroskope oder Nanolithographie).

Dykstra: „Menschen bauen gerne Dinge – kleine und große Dinge – und wir möchten fast immer, dass diese Strukturen leicht sind. Wenn dies mit Materialien möglich ist, die sowohl steif als auch gut stoßdämpfend sind, können viele bestehende Designs verbessert werden.“ und viele neue Designs werden möglich. Die Anwendungsmöglichkeiten sind wirklich grenzenlos!“

Referenz: „Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping“ von David MJ Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier und Corentin Coulais, 18. Mai 2023, Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202301747