Een grappig blok rubber als rekenmachine
Promovenda Jiangnan Ding onderzoekt hoe je een blok rubber zo kunt ontwerpen dat het dienst kan doen als een mechanische computerbit. Zo'n zogenaamd mechanisch metamateriaal wordt op een specifieke manier samengeperst om de vorm te veranderen. ‘Met een heel eenvoudig materiaal kunnen we in de toekomst misschien wel eenvoudige berekeningen maken.’
‘Gewone materialen ontlenen hun eigenschappen aan de moleculen waaruit ze zijn opgebouwd. Maar mechanische metamaterialen niet’, legt Ding uit. ‘Bij zulke materialen is het de structuur die bepalend is voor de eigenschappen.’ Daardoor kunnen onderzoekers materialen maken met eigenschappen die in de natuur niet bestaan.
De vreemde wereld van metamaterialen
Laten we beginnen met een eenvoudig voorbeeld: een elastiekje wordt dunner als je het uitrekt. Maar bij sommige mechanische metamaterialen is dat net andersom. Als je het uitrekt, wordt het dikker. Er zijn veel meer voorbeelden en in het geval van het onderzoek van Ding is het monster een 3D-geprint rubberblok met gaten. ‘Als je erop duwt, verandert de vorm doordat het materiaal tussen de gaten buigt. Daar kun je mee experimenteren. Je kunt het monster bijvoorbeeld kantelen of één richting vastzetten met metalen klemmen. Als je het blok dan periodiek samendrukt onder verschillende drukniveaus, krijg je een opeenvolging van deformaties dat een pad genoemd wordt.
Mechanische computerbits maken
Op het eerste gezicht lijkt dit materiaal misschien meer op speelgoed dan een praktisch hulpmiddel. En hoewel het inderdaad leuk is om mee te spelen, is er potentie voor een nuttigere toepassing, zegt Ding. ‘Je kunt sommige mechanische metamaterialen tussen twee verschillende vormen schakelen door erop te duwen, alsof je het aan- en uit zet elke keer als je erop duwt. En met twee toestanden die je kunt controleren en die afhankelijk zijn van hun vorige vorm, heb je in feite een bit gemaakt. Dat is het startpunt van een heel eenvoudige mechanische computer.’
Zo'n mechanische computer zal waarschijnlijk nooit beter presteren dan een gewone. Maar het kan wel nuttig zijn in omstandigheden waar een computerchip onpraktisch is, zoals extreem lage temperaturen in de ruimte bijvoorbeeld. Voor haar onderzoek wilde Ding uitzoeken hoe ze deze ‘bits’ in haar rubbermonster kon maken. ‘Een van de manieren om mechanische bits te maken die ik tijdens mijn promotie vond, zijn defecte balkjes in het materiaal. Onder druk knikken deze na elkaar naar links of rechts. Ik moest nadenken over de volgorde waarin ze knikken en hoe ik dit kon controleren zonder het monster telkens opnieuw te maken.’
De 3 defecte balkjes in het midden knikken opeenvolgend naar rechts
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofVan zonnecellen tot metamaterialen
‘Er zijn veel dingen waar ik van genoten heb tijdens mijn promotie. Ik kreeg de kans om interessante experimenten te doen en Leiden is de mooiste stad waar ik ben geweest.’ Ding begon eigenlijk in een heel ander vakgebied en kwam bij toeval in Leiden terecht. ‘Tijdens mijn Masteropleiding bestudeerde ik zonnecellen. Maar toen las ik over mechanische metamaterialen en raakte ik erg geïnteresseerd. Ik hou enorm van onderzoek naar dingen die je kunt aanraken en oppakken,’ vertelt ze enthousiast. ‘Het is makkelijk om mensen enthousiast te maken over mijn onderzoek, omdat je met de monsters kunt spelen.’
Ding verdedigt haar proefschrift op 31 mei. ‘Ik dacht naïef dat een promotie hetzelfde zou zijn als een master, maar dan langer. Het bleek best moeilijk, met veel projecten en druk om resultaten te boeken. Maar ik ben erg trots dat ik de eindstreep heb gehaald.’