Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Broosheid van materialen gebruiken als mechanische functionaliteit

Afhankelijk van de omstandigheden kunnen korrelige materialen zoals zand verschillende vormen aannemen. Hoe komt deze verandering en het uiteenvallen van deze materialen tot stand? Natuurkundige Corentin Coulais ontwierp een model om de geheimen achter dit fenomeen te ontrafelen. Op 7 november verscheen de publicatie in Physical Review Letters.

Nieuwe en veelzijdige toepassing

Coulais’ experiment met de rubberen schijven. De gele en rode kleuren geven de krachtketens weer.

‘Tot nog toe waren er wel theoretische modellen die het proces van uiteenvallen van korrelige materialen beschrijven, maar deze waren niet in de praktijk getoetst’, vertelt Coulais. Hij heeft nu, samen met enkele Franse collega’s, als eerste een experiment ontwikkeld waarin dit moment van uiteenvallen bestudeerd én zichtbaar gemaakt is. De veelzijdigheid van korrelige materialen is fascinerend. Door het proces van verandering en uiteenvallen van deze stoffen niet alleen te bestuderen, maar ook zichtbaar te maken, ontstaat de mogelijkheid om een groot scala aan nieuwe toepassingen te ontwikkelen, van biologisch weefsel en toepassingen bij de oliewinning en het ontwikkelen van zandrobots.

Stabiel en instabiel

Coulais onderzocht samen met Franse collega’s wat er gebeurt als je tegen korrelige materialen zoals zand duwt. ‘Er gebeurt van alles in zand als je erop gaat staan’, vertelt Coulais. ‘Het zakt in, maar het draagt tegelijkertijd je gewicht. Deze mengeling van instabiel en stabiel is kenmerkend voor korrelige stoffen. Hetzelfde zie je bij een sneeuwhoop die gaat schuiven en ontaardt in een lawine. Of denk aan een kopje cappuccino met een mooie schuimkop. Roer je te hard in de koffie dan verdwijnt de schuimlaag als sneeuw voor de zon. Een dergelijk effect zien we ook bij andere korrelige stoffen. Tot nog toe was niet bekend wat er tijdens de overgang van stabiel naar instabiel gebeurt’, vertelt Coulais.

Tillende zandrobots

Kennis over de overgang van korrelstoffen is relevant voor bijvoorbeeld zandrobots, die voorwerpen kunnen grijpen en optillen. De robots bestaan uit zacht (instabiel) zand en kunnen zich om een zwaar voorwerp heen vormen. Vervolgens wordt het zand hard gemaakt (stabiel) en kan de robot het voorwerp gemakkelijk optillen. Deze techniek kan worden toegepast in de industrie of in de bouw.

Schijf verdraait licht

Het experiment van Coulais en zijn collega’s bestaat uit doorzichtige rubberen schijven, waarbij elke schijf een zandkorrel symboliseert. Om de ineenstorting te bestuderen, drukten de onderzoekers met een steeds groter wordende ballon op de schijven. Coulais: ‘De schijven hebben de eigenschap dat ze licht verdraaien. Hoe meer kracht er op ze staat, hoe sterker de verdraaiing. Door deze verdraaiing te meten, konden we de kracht op elke schijf achterhalen.’ Verrassend genoeg bleek zo dat zand instabieler wordt als je er hard tegenaan duwt, vertelt de onderzoeker. ‘Het bleek ook instabieler te zijn ver van de ballon, terwijl je juist het omgekeerde zou verwachten.’