Mechanical metamaterials with negative compressibility transitions

压缩性 超材料 材料科学 相变 磁滞 压力(语言学) 凝聚态物理 机械 物理 光电子学 语言学 哲学
作者
Zachary G. Nicolaou,Adilson E. Motter
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:11 (7): 608-613 被引量:424
标识
DOI:10.1038/nmat3331
摘要

When tensioned, ordinary materials expand along the direction of the applied force. Here, we explore network concepts to design metamaterials exhibiting negative compressibility transitions, during which a material undergoes contraction when tensioned (or expansion when pressured). Continuous contraction of a material in the same direction of an applied tension, and in response to this tension, is inherently unstable. The conceptually similar effect we demonstrate can be achieved, however, through destabilizations of (meta)stable equilibria of the constituents. These destabilizations give rise to a stress-induced solid–solid phase transition associated with a twisted hysteresis curve for the stress–strain relationship. The strain-driven counterpart of negative compressibility transitions is a force amplification phenomenon, where an increase in deformation induces a discontinuous increase in response force. We suggest that the proposed materials could be useful for the design of actuators, force amplifiers, micromechanical controls, and protective devices. Most materials expand along the direction of an external pulling force, but there are no materials that compress instead. The proposal of mechanical metamaterials that show such negative compressibility promises new artificial materials with designed functionalities.
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