文摘
机械meta-materials 3 d打印的灵活结构产生更小的单位安排在重复模式。这些重复模式确定的形状和组织行为的材料,当我们的新闻。如果个别单位安排以下所有的规则如何改变形状,材料很容易变形,当我们的新闻。然而,如果单位排列,这样他们不能同时改变形状他们喜欢的方式,材料是沮丧,我们很难变形。通过设计meta-materials的结构,我们可以控制自己的沮丧程度甚至设计材料,将变形模式我们希望!材料设计变形在一个特定的方法可以用来开发重要的新技术,可以帮助许多人,甚至可能减少我们使用地球的宝贵的自然资源。
材料怎么可能沮丧? !
当你听到这个词挫折,你可能觉得难过或生气的感觉当你有困难做某事,如完成数学作业或平在一个困难的电脑游戏。但是你知道某些非生物材料可以体验挫折,吗?这不是我们可以使用,挫折设计材料非常有趣和特别的品质!
在自然界中许多材料水晶,这意味着粒子组成的材料被组织在一个结构manbetxapp在线登录化的、重复的方式,比如一个正方形晶格(图1一个)。通常,邻近粒子要状态相反的例子,正的或负manbetxapp在线登录的电荷或磁极指向北方或南方。在这里显示的方格子,如果红色和蓝色球代表了两种截然相反的状态,你可以看到它很容易确保没有两个相邻球都是同样的颜色如果他们交替放置,如安排黑白方格的棋盘。相比之下,在三角晶格(图1 b与不同的颜色),一旦我们把两个球在一个三角形,第三个球将会失望,因为它不能“遵守规则。“这将想要蓝色的,不同于其红色的邻居,但它也将想要红色的,不同于其蓝色的邻居!无论我们多么努力(或自然法则)试图让所有粒子“快乐,”在一个大三角晶格中总会有许多粒子(感到失望manbetxapp在线登录1,2]。
- 图1 -(一)在一个正方形晶格,可以请所有粒子,每个粒子周围的邻居,相反的状态(如电荷或磁极性)。manbetxapp在线登录
- (B)相比之下,在一个三角晶格,一旦我们请两个粒子,第三个粒子会失望,因为它是无法在不同的国家从邻国。manbetxapp在线登录
研究沮丧的材料
从non-frustrated材料沮丧的材料的行为也不同,我们想要更好地理解为什么。通常我们很难研究单个粒子在材料的行为,因为这些粒子,称为manbetxapp在线登录原子是非常小的。通常,邻近的原子在固体之间的距离大约是一埃(a),这是十亿分之一米的十分之一!这就意味着,在1米10000000000。
幸运的是,许多原子组成一个正常的材料通常表现非常相似,所以它往往可以理解材料的行为没有看到具体的每个粒子的状态。manbetxapp在线登录更容易地学习材料,发生的事情我们创建3 d打印的结构由大“粒子”,很容易看到,在邻近的“粒子”是厘米之间的距离,而不是埃。manbetxapp在线登录我们称这些结构meta-materials,因为他们可能会被认为是一个材料是由物质组成的。我们的工作不仅有助于理解沮丧的材料,但它也允许我们设计meta-materials特别,可控特性,我们很快就会解释。
晶体在本质上是由一个单胞,这是一个特定的模式,重复创建材料。材料的特点是由两个单元的结构和组成细胞,而且这些单元相邻细胞排列。我们设计meta-materials以来,我们可以建立任何我们想要的单位细胞,我们也可以安排许多单元细胞以不同的方式。例如,考虑橡胶砖所示图2一个。如果我们按它,它会变形的形状所示图2 b基于紧迫的方向。当我们把这些橡胶砖,我们构建我们将称之为meta-cube,但我们可以旋转砖,这样他们躺在不同的方向在多维数据集(3]。我们想了解不同砖的方向在我们meta-material确定meta-material将变形的方式当我们新闻。
- 图2 -(一)我们meta-cubes组成部分被称为单元细胞。
- (B)单位细胞很容易变形的两个方向,通过施压顶部和底部或侧面。(C)当所有的单元细胞组织在同一方向,我们得到一个平行meta-cube单位细胞可以交替变形在这两个方面(改编自Coulais et al。3])。
我们将开始一个平行meta-cube,所有的砖都是组织中所示的方向图2一个。当meta-cube压缩从顶部和底部,砖块构成的meta-cube交替变形的两个形状图2 b。在每个压缩meta-cube面前,伸出一个砖和相邻砖(有一个缩进图2 c)。这意味着有兼容性meta-cube砖组成的组织。但是如果meta-cube不组织,这意味着每个砖放在一个不同的方向?
让我们看看一个简化的结构组成的四个砖头附加到一个另一个在一个广场(图3一)。如图,每块砖的颜色对应的方向是面向在广场上。如果我们推或拉选择这4个平方,我们可以观察其他面孔变形。所示的广场图3一,不是沮丧。相比之下,无论我们如何在广场上施加压力图3 b,总会有至少一个沮丧的脸。砖在一边脸想要那张脸朝着一个方向,但是砖的另一边,面对希望它在相反的方向移动。沮丧的meta-cube non-frustrated相比更严格,或meta-cube兼容,因为更大的力必须应用克服挫折和变形。
- 图3 -(一)当单元细胞排列成一个兼容的结构,可以请他们所有人同时和结构很容易压缩。
- 这是黄色箭头所示,显示的方向偏转的脸。(B)如果单位细胞排列,并不是所有的人在同一时间应该会很高兴吧,至少有一个表面的结构会沮丧。这种冲突是双白色箭头所示,哪里有之间的竞争相反的方向偏转。这将使材料更加僵硬。方块的颜色指示的方向每单位细胞放置。(C)我们设计了一个meta-cube变形所需的模式(笑脸)当按下(改编自Coulais et al。3])。
兼容Meta-materials:按正确的地方
分析所有可能的meta-cubes,包括那些由许多超过四个砖头,我们建立了一个数学模型,用来描述是否任何meta-cube很沮丧。我们的模型允许我们识别所有meta-cubes兼容,这意味着那些可以不沮丧的单元变形细胞。使用这个模型,我们发现meta-cubes兼容的数量是巨大的!如此巨大的,事实上,我们可以设计一个meta-cube给我们任何变形的模式,我们希望在一个面对材料。例如,我们设计了meta-cube所示图3 c这样,当我们继续从顶部和底部,它将与碰撞变形,压痕,在其上创建一个笑脸1。如果我们出版社在其前面同样的特定模式的笑脸,meta-cube将变形相对容易。相反,如果我们按不同的模式,就像一个平坦的模式,例如,它会更难变形这meta-material。我们允许我们预测数学模型的刚度meta-cube将增加根据挫折我们迫切的模式导致的使用。换句话说,我们表明,变形meta-material能力不仅取决于我们媒体的力量或类型的橡胶meta-cube,而且之间的兼容性的模式按meta-cube的结构和独特的结构。
Meta-materials可以用于什么?
meta-cubes我们开发了一个有趣的系统,我们可以用它来研究发生在材料兼容性和沮丧。通过合并相同的重复砖面向不同方向进入大meta-cubes,特定的方式我们可以设计材料变形时承受压力。能够控制材料变形的方式可能是有用的在各种类型的技术。例如,想象一个机器人,可以改变它的手臂抓住事情的刚性更有效率。或者,这些材料可以用来创建医疗植入物或假腿,非常适合他们的身体。使用meta-materials也可以减少我们使用地球的宝贵的自然资源。所以,现在你可以看到meta-materials不仅是有趣的材料,可以教我们挫折,但他们也可能有助于改善人民生活和地球的健康!
资金
这项研究是由以色列科学基金会提供部分资助,荷兰科学研究组织。
术语表
挫折:↑无法同时满足一些相互冲突的需求(https://en.wikipedia.org/wiki/Geometrical_frustration]。
水晶:↑固体材料的成分排列以有序的方式(https://en.wikipedia.org/wiki/Crystal]。
晶格:↑重复结构朝着不同的方向(后看起来是一样的https://en.wikipedia.org/wiki/Bravais_lattice]。
原子:↑普通物质的最小单位,形成化学元素(https://en.wikipedia.org/wiki/Atom]。
Meta-material:↑人造材料的特征主要取决于细胞构成的工程结构(https://en.wikipedia.org/wiki/Metamaterial]。
单胞:↑的模式重复组成晶体材料(https://en.wikipedia.org/wiki/Unit_cell]。
Meta-cube:↑面向meta-material重复做的立方单元的不同的方向。
的利益冲突
作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
承认
作者感谢Yaara Shokef和Chaviva Sirote为有用的评论和建议对于本文的写作和演讲。
脚注
1。↑https://www.youtube.com/watch?v=NxcCtimWxn0组合变形机械超材料的设计。
原始的文章
↑Coulais C。Teomy E。,de Reus, F., Shokef, Y., and van Hecke, M. 2016. Combinatorial design of textured mechanical metamaterials.自然。535:529 - 532。doi: 10.1038 / nature18960
引用
[1]↑沃尼埃,g . h . 1950。反铁磁性:三角伊辛。理论物理。牧师。79:357 - 364。doi: 10.1103 / PhysRev.79.357
[2]↑汉族,Y。,Shokef, Y., Alsayed, A. M., Yunker, P., Lubensky, T. C., and Yodh, A. G. 2008. Geometric frustration in buckled colloidal monolayers.自然。456:898 - 903。doi: 10.1038 / nature07595
[3]↑Coulais C。Teomy E。,de Reus, F., Shokef, Y., and van Hecke, M. 2016. Combinatorial design of textured mechanical metamaterials.自然。535:529 - 532。doi: 10.1038 / nature18960