Metamaterial mikroskopis menentang MIT

Metamaterial dengan struktur mikro spesifik mengungguli material padat dalam hal ketahanan terhadap dampak supersonik dan menawarkan potensi solusi perlindungan tingkat lanjut. (Artis konsep.) Kredit: SciTechDaily.com

Eksperimen berkecepatan tinggi dapat membantu mengidentifikasi “metamaterial” pelindung ringan untuk pesawat ruang angkasa, kendaraan, helm, atau objek lainnya.

Struktur penyangga dan balok penopang berbentuk sarang lebah yang rumit dapat menahan dampak supersonik lebih baik daripada pelat padat dari bahan yang sama. Terlebih lagi, struktur spesifiknya penting, karena beberapa di antaranya lebih tahan benturan dibandingkan yang lain.

Itulah yang ditemukan para insinyur MIT ketika mereka bereksperimen dengan metamaterial mikroskopis—bahan yang sengaja dicetak, dirakit, atau direkayasa dengan arsitektur mikroskopis yang memberikan sifat luar biasa pada keseluruhan material.

Dalam sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan NasionalPara insinyur melaporkan cara baru untuk menguji dengan cepat berbagai arsitektur metamaterial dan ketahanannya terhadap dampak supersonik.

Dengan menembakkan mikropartikel pada kecepatan supersonik, para insinyur MIT dapat menguji ketahanan berbagai metamaterial yang terbuat dari struktur sekecil sel darah merah. Dalam foto adalah empat video mikropartikel yang menabrak struktur yang terbuat dari metamaterial. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Dalam eksperimen mereka, tim menggantungkan jaringan metamaterial kecil yang dicetak di antara struktur pendukung mikroskopis dan kemudian menembakkan partikel yang lebih kecil ke material tersebut dengan kecepatan supersonik. Dengan menggunakan kamera berkecepatan tinggi, tim kemudian menangkap gambar setiap dampak dan dampaknya dengan presisi nanodetik.

Pekerjaan mereka mengidentifikasi beberapa arsitektur metamaterial yang lebih tahan terhadap dampak supersonik dibandingkan dengan arsitektur yang semuanya solid dan tidak dirancang. Para peneliti mengatakan hasil yang mereka amati pada tingkat mikroskopis dapat diperluas ke dampak skala makro yang sebanding untuk memprediksi bagaimana struktur material baru dalam skala panjang akan tahan terhadap dampak di dunia nyata.

Para peneliti mencetak material sarang lebah kompleks yang digantung di antara kolom pendukung dari material yang sama (foto). Struktur mikroskopisnya setinggi tiga helai rambut manusia. Kredit: Atas perkenan para peneliti

“Kami belajar bahwa struktur mikro material Anda penting, bahkan ketika mengalami deformasi berkecepatan tinggi,” kata penulis studi Carlos Portela, seorang warga Inggris dan Profesor Teknik Mesin Alex d’Arbeloff di MIT. “Kami ingin mengidentifikasi struktur tahan benturan yang dapat dijadikan pelapis atau panel untuk pesawat ruang angkasa, kendaraan, helm, dan apa pun yang perlu ringan dan terlindungi.”

Penulis studi tambahan termasuk penulis pertama dan mahasiswa pascasarjana MIT Thomas Butruille dan Joshua Crone dari DEVCOM Army Research Laboratory.

Dampak bersih

Eksperimen kecepatan tinggi baru yang dilakukan tim ini didasarkan pada penelitian mereka sebelumnya, di mana para insinyur menguji ketahanan bahan berbasis karbon ultraringan. Bahannya, yang lebih tipis dari lebar rambut manusia, terbuat dari penyangga kecil dan balok karbon yang dicetak oleh tim dan ditempatkan pada kaca objek. Mereka kemudian menembakkan mikropartikel tersebut ke arah material dengan kecepatan melebihi kecepatan suara.

Eksperimen supersonik ini mengungkapkan bahwa material berstruktur mikro tahan terhadap dampak berkecepatan tinggi, terkadang membelokkan mikropartikel dan terkadang menjebaknya.

“Namun, ada banyak pertanyaan yang tidak dapat kami jawab karena kami menguji bahan tersebut pada substrat, yang dapat mempengaruhi perilakunya,” kata Portela.

Insinyur MIT telah merekam video mikropartikel yang ditembakkan melalui metamaterial yang dirancang secara presisi, lebih tipis dari lebar rambut manusia. Kredit: Atas perkenan para peneliti

Dalam studi baru mereka, para peneliti mengembangkan cara untuk menguji metamaterial yang berdiri bebas untuk melihat bagaimana material tersebut menahan benturan dengan sendirinya, tanpa substrat atau substrat pendukung.

Dalam pengaturan mereka saat ini, para peneliti menangguhkan metamaterial yang diinginkan di antara dua tiang mikroskopis yang terbuat dari bahan dasar yang sama. Bergantung pada dimensi metamaterial yang diuji, para peneliti menghitung seberapa jauh jarak tiang-tiang tersebut untuk menopang material di kedua ujungnya sekaligus memungkinkan material tersebut merespons dampak apa pun, tanpa pengaruh apa pun dari tiang itu sendiri.

“Dengan cara ini kami memastikan bahwa kami mengukur sifat material dan bukan sifat strukturnya,” kata Portela.

Setelah tim menentukan desain penyangga pilar, mereka melanjutkan untuk menguji arsitektur metamaterial yang berbeda. Untuk setiap arsitektur, para peneliti pertama-tama mencetak pilar pendukung pada chip silikon kecil dan kemudian mencetak metamaterial sebagai lapisan tersuspensi di antara pilar.

“Kami dapat mencetak dan menguji ratusan struktur ini dalam satu chip,” kata Portela.

Tusukan dan retakan

Tim mencetak metamaterial tersuspensi yang menyerupai penampang rumit seperti sarang lebah. Setiap bahan dicetak menggunakan arsitektur mikroskopis tiga dimensi tertentu, seperti perancah presisi dari oktet berulang atau poligon bersisi ganda. Setiap unit berulang diukur sebagai sel darah merah kecil. Metamaterial yang dihasilkan lebih tipis dari lebar rambut manusia.

Para peneliti kemudian menguji ketahanan dampak setiap metamaterial dengan menembakkan mikropartikel kaca ke arah struktur dengan kecepatan hingga 900 meter per detik (lebih dari 2.000 mil per jam)—jauh hingga kisaran supersonik. Mereka menangkap setiap dampak pada kamera dan mempelajari gambar yang dihasilkan bingkai demi bingkai untuk melihat bagaimana proyektil menembus setiap material. Selanjutnya, mereka memeriksa bahan-bahan tersebut di bawah mikroskop dan membandingkan konsekuensi fisik dari setiap dampak.

“Kami melihat morfologi kawah tumbukan berbentuk silinder kecil pada material arsitektur,” kata Portela. “Tetapi pada material padat, kami melihat banyak retakan radial dan potongan material yang lebih besar yang terlubangi.”

Secara keseluruhan, tim mengamati bahwa partikel yang ditembakkan menciptakan lekukan kecil di grid metamaterial, namun material tersebut tetap utuh. Sebaliknya, ketika partikel yang sama ditembakkan dengan kecepatan yang sama ke dalam material padat non-kisi dengan berat yang sama, maka akan tercipta retakan besar yang dengan cepat menyebar dan menyebabkan material tersebut hancur. Oleh karena itu, material berstruktur mikro lebih efektif dalam menahan dampak supersonik serta melindungi terhadap berbagai dampak. Dan khususnya, bahan yang dicetak dengan angka delapan yang berulang tampaknya merupakan bahan yang paling tahan lama.

Pengamatan dan arah masa depan

“Pada kecepatan yang sama, kami melihat bahwa arsitektur oktet kecil kemungkinannya untuk pecah, yang berarti metamaterial per satuan massa dapat menahan benturan dua kali lebih besar dibandingkan material curah,” kata Portela. “Hal ini memberi tahu kita bahwa ada beberapa arsitektur yang dapat membuat material lebih kuat dan menawarkan perlindungan benturan yang lebih baik.”

Di masa depan, tim berencana untuk menggunakan metode baru pengujian dan analisis cepat untuk mengidentifikasi desain metamaterial baru dengan harapan dapat mengidentifikasi arsitektur yang dapat ditingkatkan menjadi peralatan pelindung, pakaian, pelapis, dan pelapis yang lebih kuat dan ringan.

“Hal yang paling membuat saya bersemangat adalah menunjukkan bahwa kita dapat melakukan banyak eksperimen ekstrem ini di atas meja,” kata Portela. “Ini akan sangat mempercepat kecepatan kami dalam memvalidasi material baru, berkinerja tinggi, dan tahan lama.”

Referensi: “Memisahkan Mekanisme Hamburan Dampak Partikel dalam Bahan Arsitektur 3D” oleh Thomas Butruille, Joshua C. Crone, dan Carlos M. Portela, 2 Februari 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2313962121

Pekerjaan ini didanai sebagian oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat DEVCOM ARL melalui Institut Nanoteknologi Prajurit (ISN) MIT dan sebagian dilakukan menggunakan fasilitas ISN dan MIT.nano.