Metamalzemeler doğada kendiliğinden bulunmayan, tasarlanmış malzemelerdir. Bu malzemeler birbirinden bağımsız birimler birleştirilerek oluşturulur ve bu sayede yeni özelliklere sahip malzeme geliştirilir. Araştırmacılar, yaptıkları çalışmalarla yüksek geri kazanılabilir özellikte, elastik enerji yoğunluğuna sahip mekanik metamalzemeler geliştirmeyi başardılar.1
Araştırmacılar, yüksek sıcaklıklarda sarmal şekline dönüştürülen burgu şeklinde çubuklarla oluşturulan metamalzemelerin sertlik derecesinde yükselme gördüklerini belirtmiştir. Ayrıca elastik enerjinin büyük bir kısmının emilip geri bırakılmasının sağlandığı görülmektedir. Kinetik enerji gerektiğinde tamamen salınmak üzere elastik enerjiye dönüştürülmektedir.2
Çalışmada yüklü ve sarmal yapıdaki şekli bozulmuş çubuklar makroskobik olarak tek eksenli yüklerin altında kullanılabilecek metamalzemelerin içine eklenmiştir. Bu çalışmayı ön izlemek için kullanılan simülasyonlar sayesinde oluşturulan metamalzemenin yüksek sertliği nedeniyle büyük kuvvetleri emdiği görülmüştür.
Araştırmacılar, teorik verileri deneysel olarak da uygulayarak hipotezlerinin doğruluğunu kanıtladılar. Gerçekleştirdikleri çeşitli deneylerle, geliştirdikleri metamalzemenin diğer metamalzemelere göre depoladığı enerji değerinin 2 ila 160 kat daha fazla olduğunu keşfettiler.1
Yüksek entalpi değerine sahip elastik metamalzemeler olarak adlandırılan mekanik metamalzemelerin geliştirilmiş bir çok özellik içerdiğinden bahsedebilir. Enerji depolama, yük taşıma kapasitesi, yüksek darbe direnci ve hareket edebilme kapasitesinin yüksekliği gibi bu özellikler, istenilen verimi karşılamada oldukça fayda sağlıyor.
Birçok olumlu özelliğe sahip olmasına rağmen metamalzemeleri yüksek değerlerde enerji depolayabilecek şekilde üretilmesi oldukça zorlu bir süreç. Bu zorluğun sebebi birbirinden bağımsız özellikleri birleştirip tek bir malzemede bir araya getirmek. Araştırmacılar bu zorluğu aşabilmek için yüksek entalpili elastik metamalzemeleri, serbestçe dönebilme özelliğine sahip kiral (simetrik olmayan) meta hücrelerden tasarladılar. Bu yeni nesil malzemenin klasik malzemeden farkları:
- Yüksek sertliğini koruması
- Geri kazanılabilir şekil değiştirme özelliğine sahip olma
- Burkulma dayanımının yüksek olması
- Depolanan enerji (entalpi) miktarının fazla olmasıdır.
Bu gelişmelerin kaynağı ise, yalnızca simetrik olmayan yapılarda görülen özel bir burgu şeklidir. Kiral ve kiral olmayan yapıların aynı gerilim seviyesinde şekil değiştirme oranları incelenmiş ve kiral yapı daha fazla şekil değiştirebilir yani daha fazla enerji depolayabilir olarak tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, oluşturulan mekanizma, yüksek enerji depolama kapasitesine sahip malzeme ve yapıların tasarımı için katkı sağlıyor. Bu konu, mühendislik alanında genel ve önemli bir problem olmakla beraber geliştirilen metamalzeme sayesinde enerji depolamanın yanında gelecekte birçok sektörde çözüm sunabileceği öngörülüyor.2
Kaynaklar
Metamalzemeler hakkında yeni bilgiler edindim. Teşekkürler.