De toekomst van metamaterialen in kaart brengen

Metamaterialen zijn kunstmatig gestructureerde materialen met buitengewone eigenschappen die niet gemakkelijk in de natuur te vinden zijn. Met ontwikkelde driedimensionale (3D) geometrieën op micro- en nanoschaal, bereiken deze gearchiteerde materialen unieke mechanische en fysische eigenschappen met capaciteiten die verder gaan dan die van conventionele materialen- en zijn het afgelopen decennium naar voren gekomen als een veelbelovende manier voor technische uitdagingen waar alle andere bestaande materialen geen succes hebben gehad.

Architected Materials vertonen unieke mechanische en functionele eigenschappen, maar hun volledige potentieel blijft onaangeboord vanwege uitdagingen in ontwerp, fabricage en karakterisering. Verbeteringen en schaalbaarheid in deze ruimte kunnen helpen een reeks industrieën te transformeren, van biomedische implantaten, sportapparatuur, automotive en ruimtevaart, en energie en elektronica.

“Vooruitgang in schaalbare fabricage, high-throughput-testen en AI-aangedreven ontwerpoptimalisatie kan een revolutie teweegbrengen in de monteurs- en materiaalwetenschappelijke disciplines, waardoor slimmere, meer adaptieve materialen mogelijk worden gemaakt die engineering en dagelijkse technologieën opnieuw definiëren”, zegt Carlos Portela, de Robert N. Noyce Career Development Professor en Assistant Professor of Mechanical Engineering At Mit.

In een perspectief gepubliceerd Deze maand in het dagboek NatuurmaterialenPortela en James Surjadi, een postdoc in werktuigbouwkunde, bespreken belangrijke hindernissen, kansen en toekomstige toepassingen op het gebied van mechanische metamaterialen. Het papier is getiteld “Driedimensionale architecteerde materialen over lengteschalen en tijdschalen mogelijk maken.”

“De toekomst van het veld vereist innovatie bij het fabriceren van deze materialen over lengteschalen, van nano tot macro, en vooruitgang in het begrijpen van ze op verschillende tijdschalen, van langzame vervorming tot dynamische impact”, zegt Portela, eraan toevoegend dat het ook een interdisciplinaire samenwerking vereist.

Een perspectief is een peer-reviewed inhoudstype dat het tijdschrift gebruikt om reflectie of discussie uit te nodigen over zaken die speculatief, controversieel of zeer technisch kunnen zijn, en waar het onderwerp mogelijk niet aan de criteria voor een beoordeling voldoet.

“We hadden het gevoel dat ons vakgebied, na substantiële vooruitgang in het afgelopen decennium, nog steeds wordt geconfronteerd met twee knelpunten: problemen die opschalen, en geen kennis of begrip van eigenschappen onder dynamische omstandigheden”, zegt Portela, die de beslissing besprak om het stuk te schrijven.

Het papier van Portela en Surjadi vat de nieuwste benaderingen samen en benadrukt bestaande kennislacunes in materiaalontwerp, fabricage en karakterisering. Het stelt ook een routekaart voor om de ontdekking van gearchiteerde materialen met programmeerbare eigenschappen te versnellen via de synergetische combinatie van experimenten met hoge doorvoer en computationele inspanningen, om opkomende kunstmatige intelligentie en machine learning technieken voor hun ontwerp en optimalisatie te gebruiken.

“High-throughput geminiaturiseerde experimenten, contactloze karakterisering en extreme condition-methoden zullen rijke datasets genereren voor de implementatie van gegevensgestuurde modellen, het versnellen van de optimalisatie en ontdekking van metamaterialen met unieke eigenschappen,” zegt Surjadi.

Het motto van het Portela Lab is “Architected Mechanics and Materials over schalen.” Het perspectief is bedoeld om de kloof te overbruggen tussen fundamenteel onderzoek en real-world toepassingen van de volgende generatie architected materialen, en het presenteert een visie waarnaar het lab de afgelopen vier jaar heeft gewerkt.