Nieuw metamateriaal buigt trillingen in geordende banen

– Onderzoekers ontwikkelden een ontwerprincipe om met behulp van microfabricage complexe patronen op siliciumchips te realiseren.
– Dankzij deze patronen volgen trillingen vooraf bepaalde paden.
– Een dergelijk gestructureerd materiaal zou energie uit vibraties kunnen winnen of signalen draadloos verwerken.

Onderzoekers van ETH Zürich hebben een dunne siliciummembraan zo gestructureerd dat ze mechanische golven gericht kunnen leiden. Dergelijke structuren bieden interessante mogelijkheden om ongewenste vibraties om te zetten in bruikbare energie of mechanische signalen te verwerken.

Metamaterialen – de term klinkt voor leken esoterisch. Voor de wetenschap is het echter een interessant onderzoeksgebied dat zich vooral sinds de jaren 1990 snel heeft ontwikkeld.

Voor het blote oog lijkt een metamateriaal op een gewoon materiaal. Op kleinere schaal is het echter op een buitengewone manier opgebouwd. Dit geeft het bijzondere mechanische eigenschappen die het oorspronkelijke materiaal niet heeft.

Deze kunstmatig ontworpen materialen zijn bijvoorbeeld zeer licht, stijf, sterk vervormbaar of dempen stoten en vibraties. Toepassingen variëren van schoenzolen (ETH-nieuws berichtte) en helmen tot micro-elektronica.

Specifieke eigenschap dankzij speciale microstructuur

Een onderzoeker die zich in zijn onderzoek intensief bezighoudt met metamaterialen, is Dennis Kochmann, professor voor mechanica en materiaalkunde aan ETH Zürich. «Het is fascinerend hoe je door een speciale microstructuur iets uit een materiaal kunt halen dat het zonder deze structuur niet heeft», zegt hij.

Onlangs hebben Kochmann en zijn medewerkers in twee wetenschappelijke publicaties een nieuw soort zogenaamd phononisch metamateriaal geïntroduceerd, een materiaal dat mechanische golven – vibraties of akoestische signalen – gericht kan controleren.

Zo'n metamateriaal zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om energie uit vibraties te winnen of signalen puur mechanisch te verwerken, wat interessant is voor sensoren en mechanische computers die zonder stroom werken.

Huiddunne siliciummembranen als golflenkers

Wanneer je een metalen plaat in trilling brengt – bijvoorbeeld door hamerslagen – verspreiden trillingen zich meestal cirkelvormig, vergelijkbaar met golven in water. Maar als deze plaat een speciale structuur heeft, kan ze golven in gerichte banen afbuigen. Precis deze werking maakten de ETH-onderzoekers gebruik van.

In plaats van de metalen plaat gebruiken ze een extreem dunne siliciummembraan, waarin de onderzoekers met speciale fotolithografie- en etstechnieken talloze gaten hebben aangebracht die samen een specifiek patroon vormen.

Een patroon van miljoenen elementen

Het patroon bestaat uit miljoenen herhalende vierkante elementen – heel kleine vierkanten die kruisgewijs in vier kleinere vierkanten zijn verdeeld. In het midden van het hoofdvierkant bevindt zich een vierarmige ster.

Deze eenheidscellen zijn niet overal hetzelfde zoals bij veel andere metamaterialen, maar veranderen geleidelijk door de lengte van de sterarmen te variëren.

Om deze patronen te genereren, gebruikten de ETH-onderzoekers speciale computermodellen. Ze simuleerden hoe een op het patroon treffende trilling zich voortbeweegt in stralen.

«Als je het hele golfveld op een klassieke manier zou simuleren, zou dat extreem veel rekenkracht vereisen, omdat het ontwerpruimte met miljoenen vrijheidsgraden enorm is», legt Kochmanns voormalig medewerker Charles Dorn uit. Hij was verantwoordelijk voor de simulaties en werkt nu als assistent-professor aan de University of Washington.

Puzzelen op hoog niveau

«Het ontwerp van ons metamateriaal is modulair, zoals bij een puzzel», zegt Kochmann. Verschillende puzzelstukjes vervullen daardoor specifieke functies, zoals het afbuigen van stralen onder een rechte hoek of het opsplitsen van golven op basis van hun frequentie in verschillende richtingen. Als de onderzoekers de juiste puzzelstukjes slim combineren, kunnen ze complexe golfbanen genereren, zoals een liggende acht.

Gemaakt in cleanroom op siliciumdragers

In een volgende stap produceerden de onderzoekers de berekende structuren in de cleanroom van het Binnig and Rohrer Nanotechnology Center van ETH Zürich en IBM met hoge precisie. Hiervoor gebruikten ze een conventionele silicium-blank als drager. In meerdere stappen maakten ze hiervan een siliciummembraan die exact volgens het gesimuleerde patroon is opgebouwd, met honderdduizenden eenheidscellen van enkele micrometers die met het blote oog nauwelijks zichtbaar zijn.

Tot slot controleerden de onderzoekers de geproduceerde membranen experimenteel. Met laserpulsen brachten ze de siliciummembranen in trilling. Met een optisch meetproces volgden ze in realtime hoe de trillingen zich voortplantten.

Hiermee konden Kochmann en zijn medewerkers bevestigen dat de golven daadwerkelijk de vooraf bepaalde paden volgden, soms over lange tijdsperioden.

De structuren werken niet alleen bij één enkele trillingsfrequentie: hoewel het systeem door de onderzoekers was ontworpen voor 750 kilohertz (750.000 trillingen per seconde), functioneert het ook bij frequenties tussen ongeveer 250 en 800 kilohertz. «Deze breedbandige frequentieband hebben we niet gepland, maar het heeft ons positief verrast», zegt Vignesh Kannan, mede-auteur van de studie die verscheen in het vakblad Nature Communications.

Omdat silicium van nature een lage demping heeft, kunnen golven zich langdurig voortplanten. Dit is een groot voordeel ten opzichte van polymeer-gebaseerde 3D-printstructuren, waarvan de demping snel alle trillingen onderdrukt, legt Kannan uit, die inmiddels assistent-professor is aan de École Polytechnique in Parijs.

Energie uit vibraties winnen

De nieuwe siliciummembranen zouden in de micro- en nano-elektronica kunnen worden toegepast, bijvoorbeeld om trillingen op chips beter te controleren. Het phononische metamateriaal is ook interessant voor mechanische signaalverwerking zonder stroom, bijvoorbeeld in sensoren voor het monitoren van infrastructuur in afgelegen gebieden. Op de lange termijn zouden ze ook kunnen worden gebruikt voor nieuwe computerarchitecturen.

Kochmann denkt ook aan energy harvesters – apparaten die gericht vibratie-energie naar piezo-elektrische energiewenders sturen, die daaruit bruikbare stroom genereren.

In verdere stappen willen hij en zijn samenwerkingspartners de miniaturisering verder voortzetten – tot aan de grens van het haalbare, waar fabricagefouten in de micro- of zelfs nanostructuur beginnen door te werken.

«We willen ook beter begrijpen hoe de fysica erachter in elkaar zit. Tot nu toe is niet volledig duidelijk waarom het ontwerp zo robuust werkt over brede frequentiegebieden», zegt Kochmann.

Voor hem staat fundamenteel onderzoek voorop, omdat enkele onderliggende fenomenen nog steeds mysteries zijn. Toepassingen zouden vaak vanzelf ontstaan, aldus de onderzoeker. «Dat is het mooie hier aan de ETH: we kunnen dingen uitproberen en de fundamenten onderzoeken zonder commerciële druk.»

Literatuurverwijzingen

Kannan V, Dorn C, Drechsler U, Kochmann DM: Microscale Architected Materials for Elastic Waveguiding: Fabrication and Dynamic Characterization across Length and Time Scales. Physical Review X 2026, 16: 011047, DOI: externe Seite 10.1103/21w4-zn1s
Dorn C, Kannan V, Drechsler U et al.: Graded phononic metamaterials based on scalable microfabrication and design. Nature Communication 2026, 17: 3192, DOI: externe Seite 10.1038/s41467-026-69888