Twist Buckling kan låse opp ultrafjærende kirale strukturer

Et team av forskere fra Kina og USA har introdusert en ny metode for å forbedre ytelsen til elastiske materialer med høy entalpi ved å bruke en teknikk som kalles twist buckling. Den nye designen kan tillate å lage lettere og mer kapable metamaterialer. Her er det du trenger å vite.

Hva er høyentalpi elastiske metamaterialer og hvorfor de betyr noe

Elastiske metamaterialer med høy entalpi er avgjørende måter ingeniører kan absorbere støt på, forbedre bæreevnen og lagre mekanisk energi. Disse materialene er en kritisk komponent i dagens høyteknologiske enheter.

Et vanlig eksempel på dette konseptet vil være å visualisere en struktur laget av rette stenger. Visualiser nå den samme strukturen med stengene vridd litt. Den lette vridningen gir stengene mer slagfasthet og belastningskapasitet. Som sådan tilbyr elastiske materialer med høy entalpi støtmotstand og bevegelsessmidighet fra en lettvektsstruktur som kan tilpasses for et bredt spekter av bruksområder.

Utfordringene neste generasjons metamaterialer står overfor

Det er flere problemer med høyentalpi elastiske metamaterialer for øyeblikket som må løses for å forbedre adopsjonen. For det første krever de at ingeniører bygger strukturer som har motsatte egenskaper.

Disse materialene må være i stand til å håndtere stress, men forbli stive i visse posisjoner. De må være sterke, men myke nok til å absorbere støt uten skade. I tillegg kan disse strukturene utformes på nanoskala, noe som øker deres kompleksitet. Heldigvis har et team av kinesiske og amerikanske ingeniører introdusert en ny metode for å lage ultraytende kirale strukturer ved å bruke et konsept kalt twist buckling.

Vi introduserer Twist Buckling: A Game-Changer in Metamaterial Design

Studien med tittelen "Stor utvinnbar elastisk energi i kirale metamaterialer via vridning"¹ belyser hvordan man lager høyentalpi elastiske metamaterialer via fritt roterbare kirale metaceller. Disse cellene bruker kirale strukturer som inkluderer vridning, kompresjon og bøying for å muliggjøre et nytt nivå av slagmotstand og spenst.

Kilde – Natur

Forstå kirale strukturer i maskinteknikk

Ingeniører bemerket at kirale strukturer var det ideelle stedet for å starte forbedringene deres. Begrepet kiralitet refererer til objekter som ikke kan legges over speilbildet deres. Den enkleste måten å visualisere dette konseptet på er å tenke på hånden din. Mens hånden din vil reflektere i speilet, kan den ikke roteres på noen måte som kan få refleksjonen til å matche bildet.

Det er flere typer kirale strukturer i bruk i dag, inkludert kirale molekyler, stereogene sentre, aksial kiralitet og plan kiralitet. Hver av disse kirale strukturene kan ikke legges over speilbildet på grunn av dens geometri eller akse. Spesielt tilbyr kirale strukturer noen unike fordeler, for eksempel muligheten til å ha en normal og deformasjonsmodus.

Hvordan Twist Buckling forbedrer energilagring og motstandskraft

I en deformasjonsmodus kan kirale strukturer lagre mye energi mens de opprettholder sin strukturelle integritet. En del av måten forskerne forbedrer ytelsen til deformasjonsmodusen på, er gjennom deformasjonsstrategier for spenningsknekking.

Torsjonsknekkdeformasjon

År med forskning har ført til at ingeniører har lært at ved å koble aksial deformasjon og vridning, kan de forbedre sine kirale strukturers evner. Interessant nok bruker ingeniørene selve den kirale strukturen for å utløse deformasjonen.

Twist Buckling

Nå har konseptet blitt tatt enda lenger med introduksjonen av twist buckling. Denne strukturen bruker speilsymmetriske metaceller. Disse strukturene har kirale armer som integrerer doble koaksiale tori på avstand. Disse enhetene har stenger som strekker seg fra den kirale strukturen som sikrer at den roterer i riktig vinkel når det påføres trykk.

Post Twist Buckling Behavior

Som en del av forskningen skapte ingeniører flere kirale strukturer og studerte deretter oppførselen deres etter knekking. Dette trinnet lar dem gjøre noen kritiske forskjeller. For det første var de i stand til å fange de fire deformasjonsmodusene i hver stang fullt ut. Disse modusene er bøying i planet, bøying utenfor planet, vridning og kompresjon.

De la merke til at i mange kirale design forblir den indre kjernen ledig ettersom strukturen blir tettere pakket. De oppdaget også at den kirale stangens sviktpunkt vanligvis er ved det snoede båndområdet på stangoverflaten. De registrerte deretter disse dataene og inkorporerte dem i deres mikropolare elastisitetsrammeverk.

Ikke alltid bedre

Ingeniørene bemerket også at tradisjonelle stenger kunne lagre mer energi hvis de ble utnyttet til punktet før feil, sammenlignet med vridd stangdesign. Men når de svikter, er de vridde stengene i stand til å fortsette uten ufullkommenheter, og unngår katastrofale feil.

Eksperimentelt bevis: 3D-trykte kirale strukturer gir banebrytende resultater

For å teste teorien deres skapte ingeniørene flere forskjellige kirale strukturer. De bruker 3D-skrivere for å prøve flere stenger, bjelker og platebaserte prøver. Disse alternativene ble laget med enten gummi eller TC4 titanlegering.

Twist Buckling Testresultater

Testresultatene viser at kiral vri-knekk-handling samsvarte med forskernes analytiske spådommer. I tillegg rapporterte teamet om enorme ytelsesforbedringer. Spesielt forbedret ikke-optimaliserte kirale metamaterialer knekkstyrken med 5–10 ganger, entalpien med maks 160 ganger, og økte energien per masse med opptil 32 ganger.

Interessant nok bemerket ingeniørene at både i-planet og ut-av-planet bøying følger 1/2-ordens knekkemodus fastsatt av teamet. Dessuten kan de kirale stengene lagre opptil 4 ganger energien til ikke-kirale alternativer.

Twist Buckling-fordeler

Det er mange fordeler som vri-knekk-studien bringer til markedet. For det første forbedrer det ytelsen til kirale strukturer, som er en ideell komponent i neste generasjons metamaterialer og avanserte produksjonsmetoder. Det nye designet gir ingeniører en måte å innlemme feil i designene sine. Se for deg en enhet som vil spenne seg jevnt med økende belastning, i motsetning til å knipse eller plutselig bøye seg. Disse enhetene kan bidra til å forhindre katastrofal feil samtidig som de tilbyr muligheten til å lages i nanoskala.

Virkelige anvendelser av Twist Buckling Metamaterials

Det er mange bruksområder for disse avanserte kirale strukturene med vridning. De tilbyr mer motstandskraft og kan beskytte mot uønsket trykk samtidig som de truer deres deformerte struktur og energi. Som sådan er flere bransjer avhengige av disse enhetene. Her er noen av applikasjonene for kirale strukturer i dag.

Medisinsk

Det medisinske feltet vil bruke denne teknologien til å forbedre flere aspekter av markedet. Disse strukturene kan brukes til å lage sensitive biosensorer. Disse sensorene kan varsle helsepersonell om plager og andre problemer lenge før andre metoder.

En annen bruk for kirale strukturer er i medikamentlevering. Forskere har laget kirale strukturer som kan målrette mot visse typer celler. Disse enhetene gjør det mulig for helsepersonell å forbedre behandlinger i vanskelig tilgjengelige områder som nyrene eller leveren, som stadig spyler ut innholdet.

Industrielt

Det er flere industrielle bruksområder for kirale strukturer. For det første har de blitt brukt som katalysatorer for å øke kjemiske reaksjoner. Kirale strukturer er også en kritisk komponent i nanoteknologi. Nanorør er avhengige av kirale strukturer for å sikre deres stivhet i en så liten skala.

The Future of Metamaterials: Hva kommer etter Twist Buckling?

Et team av forskere fra flere institusjoner på høyt nivå bidro til denne studien, inkludert National Key Laboratory of Equipment State Sensing and Smart Support, College of Intelligent Science and Technology, National University of Defense Technology, Changsha, Kina. Spesielt viser rapporten Xin Fang, Dianlong Yu, Jihong Wen og Yifan Dai som hovedforfatterne med støtte fra Yifan Dai, Matthew R. Begley, Huajian Gao og Peter Gumbsch.

Twist Buckling Future

Ingeniørene vil nå forsøke å utdype forståelsen av kirale strukturer og vridning. De vil integrere nye materialer og bruke datasimuleringer for å teste andre metoder og tilnærminger. Målet er å skape ultraytende kiral struktur til samme eller lavere kostnad enn dagens alternativer.

Investering i nanoteknologisektoren

Det er mange selskaper involvert i nanoteknologisektoren. Dette høyteknologiske markedet blir sett på som fremtiden til mange av de mest avanserte industriene i verden. Som sådan fortsetter milliarder av dollar å gå til FoU og produksjon. Her er ett selskap som har holdt seg i forkant av nanoteknologibevegelsen.

IBM

IBM (IBM + 1.1%) kom på markedet i 1911 som Computing-Tabulating-Recording Company (CTR). Selskapet skiftet navn i 1924 til International Business Machines (IBM) for å gjenspeile tidens voksende teknologi. Siden lanseringen har IBM blitt et av de mest anerkjente selskapene globalt.

Dette enorme konglomeratet har stått bak noen av de største innovasjonene i nyere tid. Det er basert i New York og har virksomhet i 170 land. Spesielt har IBM divisjoner som dekker infrastrukturtjenester, programvare, IT-tjenester og maskinvare.

IBM er fortsatt en pioner innen bioteknologisektoren. Den har lagt frem flere patenter og fortsetter å finne måter å integrere teknologien i produktene deres. De som leter etter en velprøvd og langvarig innovatør i nanoteknologisektoren, bør forske mer på IBM.

Siste på IBM

Chiral Twist Buckling: Innleder en sterkere, smartere materialæra

Den gjennomsnittlige person vil kanskje aldri forstå hvor viktige kirale strukturer er for dagens verden. Det må imidlertid bemerkes at ingeniørene i denne studien har åpnet døren for ytterligere adopsjon og innovasjoner. Deres harde arbeid har ført til flere avsløringer som garantert vil bidra til å få mest mulig ut av denne teknologien.

Lær om annen kul nanoteknologi nå.

Referert til studier:

^{1. Fang, X., Yu, D., Wen, J., Dai, Y., Begley, MR, Gao, H., & Gumbsch, P. (2025). Stor utvinnbar elastisk energi i kirale metamaterialer via vridning. Nature, 639, 639–645. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}