Maquetas de cartón de metamateriales. Crédito:AMOLF / Bas Overvelde
Durante su investigación de doctorado en la Universidad de Harvard, El líder del grupo AMOLF, Bas Overvelde, desarrolló un método inteligente para diseñar e investigar nuevos metamateriales. Para tales materiales, la microestructura determina la función, en lugar de la composición molecular. El metamaterial ideal cambia de forma de forma autónoma para lograr la funcionalidad deseada. Overvelde y sus colegas estadounidenses desarrollaron un conjunto de herramientas para diseñar tales metamateriales que pueden asumir diferentes formas de una manera que recuerda al origami. Publicaron su investigación el 19 de enero de 2017 en Naturaleza .
En el caso de muchos metamateriales, la microestructura única es lo que los hace ideales para una tarea específica, por ejemplo, desviar o conducir luz o sonido, o amortiguación de vibraciones. "Nuestro ideal era diseñar metamateriales que pudieran asumir diferentes estructuras tridimensionales y por tanto tener una funcionalidad adaptable, "dice Bas Overvelde, quien obtuvo su doctorado en 2016 bajo la supervisión de la profesora Katia Bertoldi en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
Como origami
Overvelde y Bertoldi colaboraron con diseñadores para desarrollar una estrategia para abordar sistemáticamente el diseño de metamateriales reconfigurables. La forma básica en el diseño es un poliedro regular, en el que siempre se colocan superficies cuadradas o en ángulo recto sobre las nervaduras de modo que surge una estructura tridimensional que recuerda a una forma de origami plegada. Overvelde:"La estructura se puede plegar en los bordes entre dos superficies. La relación entre la rigidez de las superficies y las líneas de plegado determina el comportamiento del eventual metamaterial y, por lo tanto, la facilidad con la que el material puede cambiar de forma".
Los componentes básicos de los metamateriales que proporciona el modelo de Overvelde y sus colegas se basan en poliedros regulares. Las líneas de plegado son menos rígidas que las superficies, y como resultado, estos bloques de construcción pueden asumir diferentes formas. Crédito:AMOLF / Bas Overvelde
Rigidez
Los investigadores desarrollaron un modelo en el que utilizaron formas matemáticas simples para diseñar una multiplicidad de estructuras diferentes e identificar sus posibles configuraciones. Para algunos metamateriales obtenidos mediante su estrategia de diseño, los investigadores construyeron estructuras tridimensionales con superficies de cartón y líneas de pliegue de cinta de doble cara. Aunque estas estructuras modelo estaban destinadas simplemente a ilustrar el concepto, Sin embargo, mostraron claramente las impresionantes formas en que estos materiales pueden cambiar de forma.
"La fortaleza de nuestro modelo es que es completamente escalable, "dice Overvelde." No importa si el material final tiene metros de altura o en la escala de nanómetros. Mientras la relación entre la rigidez de las superficies y las bisagras permanezca constante, la forma, y por lo tanto la funcionalidad, cambia de la misma manera ".
La escalabilidad también significa que estos metamateriales tienen muchas aplicaciones posibles:desde materiales fotónicos programables a escala nanométrica hasta construcciones arquitectónicas de metros de altura. Overvelde:"Los especialistas pueden utilizar nuestro kit de herramientas para diseñar metamateriales para su disciplina específica".
Sensores
Después de su investigación de doctorado, Overvelde comenzó el grupo Soft Robotic Matter en AMOLF, donde está investigando más a fondo los cambios de forma en los metamateriales. "Al usar elementos activos y sensores, las fuerzas que hacen que un metamaterial cambie de forma no tienen que aplicarse externamente, sino que se realizan internamente, ", dice." Al combinar el conocimiento de la robótica y los metamateriales, podemos diseñar materiales que respondan de forma activa y no lineal al entorno ".
