Elasticity and rheology of auxetic granular metamaterials

辅助 流变学 弹性(物理) 超材料 材料科学 复合材料 高分子科学 光电子学
作者
Daan Haver,Daniel Acuña,Shahram Janbaz,Edan Lerner,Gustavo Düring,Corentin Coulais
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (14)
标识
DOI:10.1073/pnas.2317915121
摘要

The flowing, jamming, and avalanche behavior of granular materials is satisfyingly universal and vexingly hard to tune: A granular flow is typically intermittent and will irremediably jam if too confined. Here, we show that granular metamaterials made from particles with a negative Poisson’s ratio yield more easily and flow more smoothly than ordinary granular materials. We first create a collection of auxetic grains based on a re-entrant mechanism and show that each grain exhibits a negative Poisson’s ratio regardless of the direction of compression. Interestingly, we find that the elastic and yielding properties are governed by the high compressibility of granular metamaterials: At a given confinement, they exhibit lower shear modulus, lower yield stress, and more frequent, smaller avalanches than materials made from ordinary grains. We further demonstrate that granular metamaterials promote flow in more complex confined geometries, such as intruder and hopper geometries, even when the packing contains only a fraction of auxetic grains. Moreover, auxetic granular metamaterials exhibit enhanced impact absorption. Our findings blur the boundary between complex fluids and metamaterials and could help in scenarios that involve process, transport, and reconfiguration of granular materials.
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