Een slim materiaalmodel dat de bewegingswetten van Newton tart

Een innovatief metamateriaal met onconventionele eigenschappen gebruikt elektrische signalen om de richting en intensiteit te regelen van energiegolven die een vaste stof doorkruisen. Dit innovatieve metamateriaal, dat een enkele massadichtheid heeft, biedt een afwijking van de tweede wet van Newton, in die zin dat kracht en versnelling niet in dezelfde richting gaan. Huang voorziet brede toepassingen van militair en commercieel gebruik, zoals het beheersen van radargolven of het beheersen van trillingen van luchtturbulentie in vliegtuigen, tot civiel gebruik, zoals het bewaken van de gezondheid van constructies zoals bruggen en pijpleidingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Missouri hebben een prototype ontworpen van een klein, lichtgewicht energetisch metamateriaal dat de richting en intensiteit van energiegolven kan regelen.

Professor Guoliang Huang van de Universiteit van Missouri heeft een prototype metamateriaal ontwikkeld dat de richting en intensiteit van energiegolven kan regelen met behulp van elektrische signalen. Het innovatieve materiaal heeft potentiële toepassingen in de militaire en commerciële sector en kan ook worden gebruikt om de structurele gezondheid van bruggen en pijpleidingen te bewaken.

Al meer dan 10 jaar onderzoekt Guoliang Huang, Huber en Helen Croft Chair in Engineering aan de Universiteit van Missouri de onconventionele eigenschappen van “[{” attribute=””>metamaterials” — an artificial material that exhibits properties not commonly found in nature as defined by Newton’s laws of motion — in his long-term pursuit of designing an ideal metamaterial.

Huang’s goal is to help control the “elastic” energy waves traveling through larger structures — such as an aircraft — without light and small “metastructures.”

The prototype metamaterial uses electrical signals transported by these black wires to control both the direction and intensity of energy waves passing through a solid material. Credit: University of Missouri

“For many years I’ve been working on the challenge of how to use mathematical mechanics to solve engineering problems,” Huang said. “Conventional methods have many limitations, including size and weight. So, I’ve been exploring how we can find an alternative solution using a lightweight material that’s small but can still control the low-frequency vibration coming from a larger structure, like an aircraft.”

Guoliang Huang. Credit: University of Missouri

Now, Huang’s one step closer to his goal. In a new study published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) on May 18, Huang and colleagues have developed a prototype metamaterial that uses electrical signals to control both the direction and intensity of energy waves passing through a solid material.

Potential applications of his innovative design include military and commercial uses, such as controlling radar waves by directing them to scan a specific area for objects or managing vibration created by air turbulence from an aircraft in flight.

“This metamaterial has odd mass density,” Huang said. “So, the force and acceleration are not going in the same direction, thereby providing us with an unconventional way to customize the design of an object’s structural dynamics, or properties to challenge Newton’s second law.”

This is the first physical realization of odd mass density, Huang said.

“For instance, this metamaterial could be beneficial to monitor the health of civil structures such as bridges and pipelines as active transducers by helping identify any potential damage that might be hard to see with the human eye.”

Reference: “Active metamaterials for realizing odd mass density” by Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Rui Zhu, Zheng Yan, Hongbin Ma, Yangyang Chen and Guoliang Huang, 18 May 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2209829120

Other MU contributors include Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Zheng Yan and Hongbin Ma. Grants from the Air Force Office of Scientific Research and the Army Research Office funded the research.