Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Materiaal gebouwd van tandwielen

Een speciaal ontworpen systeem van tandwielen is flexibel aan één kant en stijf aan de andere. Dit zijn robuuste eigenschappen van de structuur, die zelfs geldig blijven bij fabricagefouten. Dit opkomende onderzoeksveld kan leiden tot nieuwe manieren om tandwielsystemen te ontwerpen, zoals satelliettrackers of horloges. Publicatie in Physical Review X.

Tandwielen

Stel je eens twee geschakelde tandwielen voor. Als je de ene met de klok mee draait, zal de andere tegen de klok in gaan. Wat gebeurt er als je aan beide tegelijk een derde tandwiel verbindt, zodat het geheel een cirkel vormt? Het systeem loopt onherroepelijk vast. Leids natuurkundigen Anne Meeussen en Jayson Paulose hebben nu een complexe structuur van tandwielen ontwikkeld die vastzit op één plek, maar flexibel is op een andere. Als je het geheel beschouwt als een nieuw (meta)materiaal, is het stijf aan één kant en zacht aan de andere.

Wiskundig

In onderstaande video ziet dit opmerkelijke mechanisme eruit als goochelarij, maar de onderzoekers hebben het daadwerkelijk wiskundig afgeleid. ‘Het mooie van dit principe is dat het een robuust systeem is,’ zegt groepsleider Prof. Vincenzo Vitelli. ‘We kunnen bepalen welke delen zacht of stijf zijn, en het mechanisme blijft werken, zelfs met imperfecte tandwielen. Deze eigenschap noemen we topologische robuustheid.’

Inherent

Omdat de stijfheidseigenschappen inherent zijn aan het systeem, kunnen fabrikanten de theorie gebruiken om mechanische apparaten zoals horloges te bouwen met goedkopere onderdelen, terwijl ze de kwaliteit waarborgen. Vitelli: ‘Dit zou het beste toepasbaar zijn op tracking devices, zoals satelliettrackers die werken met tandwielmechanismen.’

Topologische isolatoren

De theorie is geïnspireerd door elektronische topologische isolatoren, die de 2016 Nobelprijs voor Natuurkunde verdienden. Dat zijn isolatoren van binnen, maar geleiden wel stroom aan hun oppervlak. En ook als ze imperfecties hebben, blijft de stroom lopen. In plaats van naar elektrische eigenschappen, kijkt Vitelli’s groep naar stijfheid. Zijn systemen zijn stijf op aangewezen plekken en zacht op andere, ongeacht oneffenheden.

Publicatie

Anne S. Meeussen, Jayson Paulose, and Vincenzo Vitelli, 'Geared Topological Metamaterials with Tunable Mechanical Stability', Physical Review X.