Inom metamaterialdesign har det länge hetat att ”starkare är bättre”. Metamaterial är syntetiska material med mikroskopiska strukturer som ger det övergripande materialet exceptionella egenskaper. Ett stort fokus har legat på att konstruera metamaterial som är starkare och styvare än sina konventionella motsvarigheter. Men det finns en avvägning: Ju styvare ett material är, desto mindre flexibelt är det.
Ingenjörerna på MIT har nu hittat ett sätt att tillverka ett metamaterial som är både starkt och töjbart. Basmaterialet är vanligtvis mycket styvt och sprött, men det skrivs ut i exakta, invecklade mönster som bildar en struktur som är både stark och flexibel.
Arbetet publiceras i Nature Materials.
Nyckeln till det nya materialets dubbla egenskaper är en kombination av styva mikroskopiska stöttor och en mjukare vävd arkitektur. Detta mikroskopiska ”dubbla nätverk”, som är tryckt med hjälp av en plexiglasliknande polymer, gav ett material som kunde sträcka sig över fyra gånger sin storlek utan att helt gå sönder. I jämförelse har polymeren i andra former liten eller ingen stretch och splittras lätt när den väl har spruckit.
Forskarna menar att den nya designen med dubbla nätverk kan tillämpas på andra material, t.ex. för att tillverka töjbara keramiska material, glas och metaller. Sådana tuffa men ändå böjliga material skulle kunna användas till rivtåliga textilier, flexibla halvledare, förpackningar för elektroniska chip och hållbara men ändå följsamma byggnadsställningar där man kan odla celler för vävnadsreparation.
”Vi öppnar upp ett nytt territorium för metamaterial”, säger Carlos Portela, Robert N. Noyce Career Development Associate Professor vid MIT. ”Man skulle kunna skriva ut en metall eller keramik med dubbla nätverk och få många av de här fördelarna, eftersom det skulle krävas mer energi för att bryta dem och de skulle vara betydligt mer töjbara.”
Portelas medförfattare på MIT inkluderar försteförfattaren James Utama Surjadi samt Bastien Aymon och Molly Carton.
Inspirerad gel
Tillsammans med andra forskargrupper har Portela och hans kollegor vanligtvis designat metamaterial genom att skriva ut eller nanofabricera mikroskopiska gitter med hjälp av konventionella polymerer som plexiglas och keramik. Det specifika mönster, eller arkitektur, som de skriver ut kan ge det resulterande metamaterialet exceptionell styrka och slagtålighet.
För flera år sedan var Portela nyfiken på om ett metamaterial kunde tillverkas av ett i sig styvt material, men mönstras på ett sätt som skulle göra det till en mycket mjukare och mer töjbar version.
”Vi insåg att man inom metamaterialområdet inte riktigt har försökt påverka området för mjuk materia”, säger han. ”Hittills har vi alla letat efter de styvaste och starkaste materialen som möjligt.”
Istället letade han efter ett sätt att syntetisera mjukare och mer töjbara metamaterial. I stället för att skriva ut mikroskopiska stag och fackverk, som i konventionella gitterbaserade metamaterial, skapade han och hans team en arkitektur av sammanvävda fjädrar eller spolar. De fann att även om det material de använde i sig var styvt som plexiglas, var det resulterande vävda metamaterialet mjukt och fjädrande, som gummi.
”De var töjbara, men för mjuka och följsamma”, minns Portela.
När teamet letade efter sätt att förstärka sitt mjukare metamaterial fann de inspiration i ett helt annat material: hydrogel. Hydrogeler är mjuka, stretchiga, Jell-O-liknande material som består av mestadels vatten och lite polymerstruktur. Forskare, bland annat vid MIT, har kommit på sätt att tillverka hydrogeler som är både mjuka och töjbara, men också hårda. De gör det genom att kombinera polymernätverk med mycket olika egenskaper, t.ex. ett nätverk av molekyler som är naturligt styvt och som tvärbinds kemiskt med ett annat molekylärt nätverk som i sig är mjukt.
Portela och hans kollegor undrade om en sådan design med dubbla nätverk skulle kunna anpassas till metamaterial.
”Det var vår aha-upplevelse”, säger Portela. ”Vi tänkte: Kan vi hämta inspiration från dessa hydrogeler för att skapa ett metamaterial med liknande styva och stretchiga egenskaper?”
Strut och vävning
I sin nya studie tillverkade teamet ett metamaterial genom att kombinera två mikroskopiska arkitekturer. Den första är en styv, rutnätsliknande byggnadsställning av stag och fackverk. Den andra är ett mönster av spolar som vävs runt varje stag och fackverk. Båda nätverken är tillverkade av samma akrylplast och skrivs ut på en gång med hjälp av en laserbaserad utskriftsteknik med hög precision som kallas tvåfotonlitografi.
Forskarna skrev ut prover av det nya metamaterialet som inspirerats av de dubbla nätverken, var och en med en storlek från några kvadratmikrometer till några kvadratmillimeter. De lät materialet genomgå en serie stresstester, där de fäste vardera änden av provet i en specialiserad nanomekanisk press och mätte den kraft som krävdes för att dra isär materialet. De spelade också in högupplösta videor för att observera var och hur materialet töjde sig och revs när det drogs isär.
De fann att deras nya dubbelnätverksdesign kunde sträcka sig tre gånger sin egen längd, vilket också råkade vara 10 gånger längre jämfört med ett konventionellt gittermönstrat metamaterial som tryckts med samma akrylplast. Portela säger att det nya materialets stretchiga motstånd kommer från interaktionerna mellan materialets styva stag och den mer röriga, lindade väven när materialet stressas och dras.
”Tänk på det här vävda nätverket som en röra av spaghetti som trasslar runt ett gitter. När vi bryter det monolitiska gitternätverket följer de trasiga delarna med på resan, och nu trasslar all denna spaghetti in sig i gitterbitarna”, förklarar Portela. ”Det leder till att de vävda fibrerna trasslar in sig mer i varandra, vilket innebär att det blir mer friktion och mer energiavledning.”
Med andra ord utsätts den mjukare strukturen som är lindad genom materialets styva gitter för större påfrestningar tack vare flera knutar eller sammanflätningar som orsakas av de spruckna stöttorna. Eftersom denna stress sprider sig ojämnt genom materialet är det osannolikt att en första spricka går rakt igenom och snabbt sliter sönder materialet. Dessutom upptäckte teamet att om de införde strategiska hål – ”defekter” – i metamaterialet kunde de ytterligare sprida all stress som materialet genomgår, vilket gjorde det ännu mer töjbart och mer motståndskraftigt mot att rivas sönder.
”Man kan tro att det här gör materialet sämre”, säger Surjadi, en av medförfattarna till studien. ”Men vi såg att när vi började lägga till defekter fördubblade vi den mängd stretch vi kunde göra och tredubblade den mängd energi som vi avledde. Det ger oss ett material som är både styvt och segt, vilket vanligtvis är en motsägelse.”
Teamet har utvecklat ett beräkningsramverk som kan hjälpa ingenjörer att uppskatta hur ett metamaterial kommer att prestera med tanke på mönstret i dess styva och stretchiga nätverk. De föreställer sig att en sådan plan kommer att vara användbar vid utformningen av rivsäkra textilier och tyger.
”Vi vill också pröva den här metoden på mer spröda material för att ge dem multifunktionalitet”, säger Portela. ”Hittills har vi talat om mekaniska egenskaper, men tänk om vi också kunde göra dem ledande eller temperaturkänsliga? Då skulle de två nätverken kunna tillverkas av olika polymerer som reagerar på temperaturen på olika sätt, så att ett tyg kan öppna sina porer eller bli mer följsamt när det är varmt och styvare när det är kallt. Det är något vi kan utforska nu.”
För mer information: Mekaniska metamaterial inspirerade av dubbelnätverk, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02219-5
Denna artikel återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT:s forskning, innovation och undervisning.
