Titel Promotor Affiliaties "Korte inhoud" "Ontwikkeling van innovatieve vibro-akoestische metamaterialen met structurele draagkracht door middel van een modelgebaseerde ontwerpmethodologie" "Wim Desmet" "Mecha(tro)nische SysteemDynamica (LMSD)" "De vraag naar verbeterde statische of dynamische prestaties, gekoppeld aan stijgende klantverwachtingen en strengere regelgeving, vereist dat mechanische systemen voldoen aan steeds strenger en soms tegenstrijdige normen. De behoefte aan robuustheid en betrouwbaarheid vereist dat de systemen een verhoogde structurele stijfheid hebben. Dit staat echter in contrast met de trend naar lichtgewicht ontwerpen, gemotiveerd door milieu bezorgheden, en de groeiende nadruk op het verbeteren van de vibro-akoestische prestaties, gedreven door bezorgdheden over geluidsoverlast.In de afgelopen decennia zijn nauwkeurig ontworpen structuren ontstaan die deze tegenstrijdige eisen in balans brengen. Sandwichpanelen, bestaande uit twee buitenste lagen en een kern, hebben het potentieel aangetoond voor een hoge stijfheid-massa verhouding, terwijl metamaterialen zijn opgekomen als lichtgewicht oplossingen die uitblinken in geluids- en trillingsreductie binnen gerichte frequentiebereiken. Onlangs is de fusie van beide concepten, genaamd sandwich-metastructuren, opgekomen om de sterke punten te benutten en de beperkingen van elk onafhankelijk te overwinnen. Ondanks recente vooruitgang ontbreekt een uitgebreide analyse en ontwerpcyclus van deze sandwich-metastructuren terwijl hun potentieel nog aangetoond moet worden.Om sandwich-metastructuren te ontwikkelen die de tegenstrijdige eisen van lichtgewicht, zelfondersteunend en goede akoestische prestaties in balans brengen, moeten uitdagingen op drie verschillende niveaus worden aangepakt: de onderliggende fysische fenomenen van de structuren zijn niet volledig bekend, hun analyse wordt bemoeilijkt vanwege de bijbehorende berekeningskosten en er ontbreekt een geautomatiseerd ontwerpkader. Dit proefschrift pakt deze uitdagingen aan door (i) het ontwikkelen van een golfmodusbijdrage methodologie die dispersiecurves en geluidsoverdrachtsverliesanalyses verbindt, (ii) het onderzoeken van de efficiëntie van twee modelreductietechnieken voor de versnelling van dispersiecurve berekeningen en (iii) het voorstellen van een vibro-akoestisch topologieoptimalisatiekader voor het geautomatiseerde ontwerp van de kernen van de sandwich-metastructuur. De resultaten van het onderzoek zullen nieuwe sandwich meta-structuren mogelijk maken die bijdragen aan een stillere samenleving zonder de kritieke prestatiecriteria van de dynamische systemen in gevaar te brengen." "Onderzoek naar de fysische principes bij het oogsten van elektromagnetische energie met GHz en THz metamaterialen." "Ewald Janssens" "Kwantum-vastestoffysica, Vietnam Academy of Sciences & Technology" "Metamaterialen, bestaande uit periodiek geplaatste subgolflengtestructuren, vertonen buitengewone elektromagnetische (EM) eigenschappen die kunnen worden gebruikt voor een breed scala van toepassingen, zoals sub-diffractie beeldvorming, EM geïnduceerde transparantie en onzichtbare bedekking. Onlangs hebben absorberende metamaterialen veel aandacht gekregen als omringende opwekkingsmachine van EM-energie om bijvoorbeeld ongebruikte energie van draadloze hotspots te absorberen en om te zetten in elektrische stromen als een bron van goedkope en hernieuwbare energie. Helaas wordt een groot deel van de geabsorbeerde energieën in metamaterialen gedissipeerd via diëlektrische verliezen, waardoor de toepasbaarheid voor het opwekken van energie wordt beperkt. Daarnaast zijn enkele fundamentele vragen met betrekking tot de dynamiek van de energiedissipatie die essentieel kan zijn om de conversie-efficiëntie te verhogen, niet aangepakt.In dit voorstel zullen we de fundamentele fysica van dissipatieprocessen in metamateriaal absorberende materialen voor het opwekken van GHz- en THz-EM-straling onderzoeken. We zullen 1) het energieconversieproces in GHz en THz metamaterialen bestuderen die zijn ontworpen voor hoog-efficiënte energieopwekking door het gelijktijdig opwekken van elektrische en magnetische resonanties; 2)metamaterialen ontwerpen en karakteriseren die breedband perfect absorptiegedrag vertonen voor het gelijktijdig opwekken van meerdere energiebronnen; en 3) de belangrijkste dissipatieprocessen identificeren na de absorptie van straling in THz-metamaterialen en hun overeenkomstige tijdschalen kwantificeren." "Massaproduceerbare lokaal resonante metamaterialen met doelgerichte en robuuste vibro-akoestische performantie door middel van spuitgieten" "Elke Deckers" "Mecha(tro)nische SysteemDynamica (LMSD)" "Het wordt steeds duidelijker dat blootstelling aan lawaai en trillingen een negatieve invloed heeft op onze gezondheid en ons welzijn. Klassieke geluids- en trillingsoplossingen zijn onverenigbaar met de lichtgewicht ontwerpeisen die voortvloeien uit de steeds strenger wordende economische en ecologische eisen. In de zoektocht naar innovatieve lichtgewicht geluids- en trillingsoplossingen hebben lokaal resonante metamaterialen recent hun intrede gedaan, en tonen een groot potentieel, en dit vooral voor het moeilijk te verbeteren lage-frequentiegebied.Momenteel worden deze structuren vaak op een ad-hoc manier gemaakt, vaak als eenmalige 3D-geprinte prototypes, die voornamelijk dienen voor academische validatiedoeleinden. Hoewel hun potentieel is aangetoond, hinderen het gebrek aan massaproduceerbaarheid, de hoge productiekosten en de grote gevoeligheid van hun prestaties aan geometrie en materiaalparameters de doorbraak van deze metamaterialen als breed toepasbare geluids- en trillingsoplossingen.Het doel van dit project is om van massaproduceerbare lokaal resonante metamaterialen realiteit te maken door het gebruik van het kosteneffectieve en industrieel breed toegepaste spuitgietproces. Dit doel zal worden bereikt door het doorgronden en expliciet exploiteren van de wisselwerking tussen spuitgietprocesinstellingen, nieuwe geometrische ontwerpen en afstembare vibro-akoestische prestaties, en het produceren van een eerste massaproduceerbaar lokaal resonant metamateriaal." "Generatie van elektromagnetische metamaterialen door flow-geïnduceerde assemblage met statische mixers" "Ruth Cardinaels" "Soft Matter, Reologie en Technologie (SMaRT)" "Voor veel toepassingen hebben polymeren aanzienlijke voordelen in vergelijking met andere materialen, b.v. ze zijn licht van gewicht, flexibel, gemakkelijk te verwerken en corrosiebestendig. Van polymere nanocomposieten die functionele geleidende en magnetische deeltjes bevatten, is aangetoond dat ze een groot potentieel hebben als flexibele, gemakkelijk verwerkbare en efficiënte EM-afschermingsmaterialen. De laatste tijd hebben de toenemende miniaturisering en integratie van talloze componenten in elektronische apparaten en het snelgroeiende gebruik van draadloze technologieën geleid tot een explosie van de hoeveelheid elektromagnetische golven en de resulterende overspraak. Bovendien is het met het recente mobiele 5G-netwerk een grote uitdaging om het bereik van de elektromagnetische golven te vergroten, wat zou kunnen worden bereikt door geschikte golven om obstakels heen te buigen. Metamaterialen van polymeer nanocomposiet met rationeel ontworpen microstructuren kunnen een oplossing bieden voor deze problemen door goed ontworpen afschermings- en verhulreacties. De soorten morfologieën die kunnen worden gegenereerd met traditionele verwerkingstechnieken zijn echter beperkt. Daarom zullen in dit onderzoek nieuwe meerfasige microstructuren worden gecreëerd via door stroming geïnduceerd uitrekken en vouwen in microfluïdische mixers. Het onderzoek omvat mixerontwerp en stromingsanalyse, gevolgd door ontwikkeling en karakterisering van metamateriaal-polymeer nanocomposietstructuren." "Beeldvorming met metamaterialen." "Robert Pierre Mertens" "Geassocieerde Afdeling ESAT - INSYS, Integrated Systems, Halfgeleiderfysica" "Metamaterialen zijn artificiële materialen waarvan de optische eigenschappen ontworpen werden om de gewenste optische interactie te bekomen onder invloed van een aangelegde elektromagnetische golf. Ze bestaan uit structuren met afmetingen kleiner dan de golflengte van de inkomende golf,die we kunnen beschouwen als het equivalent van atomen in een conventioneel materiaal. De gezamelijke interactie vandeze meta-atomen die periodiek of willekeurig geordend kunnen zijn definieert de eigenschappen van het metamateriaal, die beschreven kunnen worden met behulp van effectieve materiaalparameters zoals de permittiviteit, de permeabiliteit, de brekingsindex en de impedantie. In dit werk tonen wij aan hoe deze metamaterialen kunnen aangewend worden als sensoren in het zichtbare en hetnabije infrarood gedeeltevan het elektromagnetische spectrum. De gebruikte meta-atomen zijn opgebouwd uit goud en silica, beiden zeer stabiele en bio-compatiebele materialen. Op het grensvlak tussen nano-dimensionele edelmetaal deeltjes en diëlectrica kunnen collectieve oscillaties van de elektronwolk in het metaaldeeltje aangeslagen worden, welke gekend zijn als plasmons. In deze thesis bestuderen we twee types van deze resonanties: lokale oppervlakte resonanties (in kleine edelmetaal deeltjes) en propagerende plasmon resonanties (op de interface tussen een vlakkeedelmetaal film en een diëlectricum).De bestudeerde stalen werden geproduceerd door een combinatie van conventionele lithografische processen (top-down), zelf-organisatie gebaseerde nanopartikel lithografische processen (bottom-up) en standaard micro-fabricatie processen. Op die manier realiseerden we een op zelforganisatie gebaseerde variant van de zogenaamde double fishnet metamaterialen die een negatieve brekingsindex vertonen en we vergeleken dit materiaal met referentiestructuren gealiseerd via elektronen-bundel lithografie. We hebben aangetoond dat deze zelforganisatie gebaseerde materialen op grote oppervlaktes gerealiseerdkunnen worden met een beperkt aantal defecten en een vergelijkbaar gedrag als de referentiestructuren.In het tweede deel van deze thesis hebben we ons toegespitst op willekeurig geordende goud nanodeeltjes bovenop een continue goud film en een dunne silica tussenlaag voor brekingsindex-gebaseerde sensoren. We hebben aangetoond dat we de lijnbreedte van intrinsiek brede dipool-resonanties kunnen verkleinen door naast de intensiteit ook de fase van de resonanties op te meten in spectroscopische ellipsometrie metingen. Door de samples onder een bepaalde hoek te belichten verschuiven de dipool resonanties spectraal ten opzichte van elkaar voor de P- en Spolarizatietoestanden,waardoor we het fase-verschil tussen in- en uit-fase oscillatie van de elektronwolk ten opzichte van de inkomende golf kunnen meten. De resulterende lijnbreedte van de lokale resonanties wordt hierdoor veel smaller, wat resulteert in een veel hogere waarde voor de kwaliteitsfactor van de resonantie en ultiemkan leiden tot een verlaging van de detectielimiet voor brekingsindex-gebaseerde sensoren. In het derde deel van deze thesis hebben we de stalen verder geoptimaliseerd voor toepassing in brekingsindex-gebaseeerde sensoren door van willekeurig geordende structuren naar periodieke structuren over te gaan. We merken dat de effecten van inhomogene verbreding van de resonanties sterk onderdrukt zijn, waardoor smallere lijnbreedtes bekomen worden voor de intensiteit- en fase-gevoelige metingen, watresulteert in een verhoging van de kwaliteitsfactor van de resonanties.Bovendien leentde periodieke structuur van nanodeeltjes zich als een zeer efficient diractierooster voor het aanslaan van propagerende golven op de onderliggende goudlaag, die sterk interageren met de lokale resonanties in de nanodeeltjes. Wanneer we de invalshoek variëren merken we duidelijk anti-kruisend gedrag van de propagerende en de lokale modes,wat resulteert in zeer asymmetrische resonantiepieken en grotere faseverschillen ten gevolge van Fano-interferenties. We demonstreren dat de interactie tussen beide modes kan gebruikt worden om de gevoeligheid voor de brekingsindex van de lokale mode significant te verhogen, wat in combinatie met de smalle lijnbreedte resulteert in zeer hoge waarden voor dekwaliteitsfactor van de resonantie." "Vibro-akoestische metamaterialen voor breedbandige geluidsisolatie in bouwakoestiek" "Edwin Reynders" Bouwmechanica "Lawaai afkomstig van verkeer, industrie, bouwactiviteiten of buren heeft een grote impact op de bevolking en leidt tot verstoring van activiteiten, sociale spanningen en gezondheidsproblemen. Het is daarom van groot belang om te zorgen voor voldoende geluidisolatie. Dit is zeer uitdagend, in het bijzonder voor opkomende duurzame constructiewijzen zoals kruisgewijs gelamineerd hout (CLT). Recent werd een veelbelovend nieuw geluidisolatieconcept ontwikkeld. Het bestaat uit het toevoegen van kleine, lokaal resonerende structuren aan een plaat om op die manier een metamateriaal met superieure geluidisolatie te creëren. Door de complexiteit van de mechanische golfvoortplanting in bouwdelen is de ontwikkeling van metamaterialen voor breedbandige geluidisolatie echter een belangrijke open onderzoeksuitdaging, die in dit postdoctorale onderzoeksproject wordt aangepakt. Hiertoe zullen eerst analytische en numerieke vibro-akoestische modellen worden ontwikkeld die toelaten om de interactie te analyseren tussen de resonatoren en de verschillende golftypes in veelvoorkomende wanden en vloeren. Vervolgens zal een methodologie voor het ontwerp van de resonatoren worden ontwikkeld die toelaat om de geluidisolatie numeriek te optimaliseren onder gepaste praktische randvoorwaarden. Tenslotte zal het potentieel van deze fundamentele ontwikkelingen gedemonstreerd worden via het ontwerp van innovatieve bouwdelen in CLT en geperforeerd metselwerk met superieure geluidisolatie." "Herconfigureerbare Metamateriaal Geïnspireerde Antennes voor ruimtelijke diversiteit" "Guy Vandenbosch" "Afdeling ESAT - TELEMIC, Telecommunicatie en Microgolven" "Composite rechts / linkshandig (CRLH) metamateriaal geïnspireerde herconfigureerbare antennes hebben voordelen in vele toepassingen. De te ontwerpen antennes zullen een dubbelebandkarakteristiek hebben en beide bandenmoeten herconfigureerbaar in stralingspatroon zijn. Een 2D-bundelgestuurde ""leaky wave"" antenne op basis van een 2D CRLH zal ook worden ontworpen met de mogelijkheid om een continue scanning te realizeren van backfire tot endfire in twee orthogonale vlakken. " "Massaproduceerbare metamaterialen met passieve en slimme inclusies voor breedbandige geluids- en trillingsonderdrukking" "Elke Deckers" "Mecha(tro)nische SysteemDynamica (LMSD)" "Een toenemend bewustzijn van de negatieve gevolgen van lawaai en trillingen voor onze gezondheid, in combinatie met steeds strengere ecologische en economische eisen, heeft geleid tot een zoektocht naar innovatieve lichtgewichtoplossingen voor geluids- en trillingsreductie. Metamaterialen hebben bewezen traditionele oplossingen te kunnen overtreffen in gekozen frequentiebanden. Hoewel veelbelovend, is de productie van metamaterialen verre van matuur: de huidige state-of-the-art berust op ad-hoc of eenmalige realisaties, terwijl hun sub-golflengte en vaak complexe inclusies aanzienlijke uitdagingen vormen voor massaproductie. Bovendien vormen hun eerder smalbandige prestaties een belangrijke hinderpaal om breed toepasbare oplossingen te worden. De focus van dit project is het creëren van massaproduceerbare metamaterialen met passieve en slimme inclusies voor breedbandige geluids- en trillingsreductie. Om dit uitdagende doel te bereiken, zal een nieuw framework worden ontwikkeld. Dit framework combineert de massaproductiemogelijkheden van spuitgieten, en specifiek het ‘omspuiten’, met de veelzijdigheid van additive manufacturing om geïntegreerde passieve en slimme resonante inclusies te maken. Een efficiënt multi-fysisch modeleringslkader zal worden ontwikkeld en uitgebouwd om de inclusieparameters en ruimtelijke configuraties te optimaliseren om zo breedbandige vibro-akoestische performantie te bekomen, die gevalideerd zal worden op geproduceerde demonstratoren" "Het mogelijk maken van de integratie van multifunctionele, betrouwbare metamaterialen in real-life industriële toepassingen voor het verbeteren van structureel en trillingsgedrag" "Brecht Van Hooreweder" "Maakprocessen en -Systemen (MaPS), Mecha(tro)nische SysteemDynamica (LMSD)" "The manufacturing industry is fundamental to the technological sovereignty and competitiveness of the European economy. To maintain the leading position, the sector requires continuous innovations, exploring the limits of material properties. This is particularly the case in high-end technology applications, such as lithography machines and micro-electromechanical systems (MEMS) industry, where the limits of conventional materials come into sight. Metamaterials, built up from rationally, pre-designed architected substructures, hold the promise to outperform conventional materials and redefine the boundaries of industrial design practices. The metamaterial potential can drive the much-needed transformational changes in European manufacturing industry. However, the wide-spread use of metamaterials is hindered by the lack of knowledge of (i) design-for-production principles for metamaterials, (ii) integration at component and system level and (iii) design-for-reliability of metamaterials. METRAMAT will train and deliver 10 researchers skilled in metamaterial development by researching and creating a combined set of design, simulation, manufacturing, testing, reliability assessment and integration tools. The involvement of MEMS, lithography and additive manufacturing industries ensures that scientific training is tuned to existing industrial challenges requiring new fundamental solutions, such as positioning accuracy, sensor sensitivity or shielding of external vibrational disturbances, with emphasis on design for manufacturability and reliability. Together with the transferable skills training, secondments and network, this will provide the doctoral candidates a strong basis for a successful career in industry or academia. The new scientific insights, engineering tools and educational programs to be developed within METRAMAT program will pave the way to wide-spread manufacturing and application of metamaterials in European industry, elevating it to the next level." "Ontwerp van afstembare lichtgewicht metamaterialen voor breedbandige geluidstransmissie en geluidsabsorptie" "Wim Desmet" "Afdeling Productietechnieken, Machinebouw en Automatisering" "In de voorbije decennia hebben strenger wordende ecologische en economische eisen de industrie ertoe aangezet lichtgewichtontwerp te introduceren. Lichtgewichtstructuren combineren doorgaans een lage massa met een hoge stijfheid, wat hun geluids- en trillingsisolatie nadelig beïnvloedt. Dit is in strijd met de toenemende consumentenverwachtingen en strenger wordende geluidsnormen. Klassieke oplossingen om het vibro-akoestische gedrag te verbeteren zijn doorgaans gebaseerd op het toevoegen van massa of volume, wat indruist tegen de vereisten voor lichtgewichtontwerp. In de zoektocht naar nieuwe oplossingen die aan deze tegenstrijdige eisen kunnen voldoen, hebben vibro-akoestische lokaal resonante metamaterialen recent veelbelovend potentieel getoond. Door resonatoren op een sub-golflengteschaal te introduceren in een flexibele hoststructuur, kan een stopband worden gecreëerd, wat een frequentieband is waarin geen vrije golfvoortplanting mogelijk is. Door het creëren van resonantiegebaseerd stopbandgedrag voor de buiggolven in flexibele panelen, kan een gericht frequentiebereik van sterke trillings- en geluidsreductie worden bekomen. De sub-golflengte aard van lokaal resonante metamaterialen kan lichtere en dunnere vibro-akoestische oplossingen mogelijk maken, die ook geschikt zijn voor het doorgaans moeilijk aan te pakken lage frequentiebereik.Hoewel het potentieel van vibro-akoestische lokaal resonante metamaterialen is aangetoond, vereist de overgang naar ingenieursoplossingen nog nauwkeurigere en robuustere voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie. Demping is inherent aanwezig in realiseerbare lokaal resonante metamaterialen en beïnvloedt hun vibro-akoestische performantie. Terwijl demping de tendens vertoont om de piekreductie te verminderen, heeft het ook potentieel getoond om het frequentiebereik van hun trillings- en geluidsreductie te verbreden. Demping wordt echter doorgaans achterwege gelaten bij het modelleren van lokaal resonante metamaterialen, wat nauwkeurige voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie belemmert. Bovendien, terwijl hun voornamelijk smalbandige prestaties lokaal resonante metamaterialen in het bijzonder geschikt maken voor vibro-akoestische problemen in gerichte frequentiegebieden, is het bereiken van breedbandige trillings- en geluidsreductie sterk gewenst. Met het oog op het bereiken van breedbandige performantie moet de potentiële rol van demping verder worden opgehelderd.Het hoofddoel van dit proefschrift is om de impact van demping op de vibro-akoestische performantie van lokaal resonante metamateriaalplaten te bestuderen, om zo fysisch inzicht te verwerven in de effecten van demping, om meer nauwkeurige voorspellingen van hun vibro-akoestische performantie te bekomen en om de verbreding van het frequentiebereik van trillings- en geluidsreductie te onderzoeken.Na een onderzoek naar de vertaling van stopbandgedrag voor buiggolven naar verbeterde geluidsisolatie, is de impact van demping op de trillingsreductie van lokaal resonante metamateriaalplaaten onderzocht door middel van dispersiecurve-analyse. De trillingsreductie in en rond de stopband wordt voornamelijk bepaald door de demping in de resonator, die de piekreductie in de stopband vermindert, en de trillingsreductie verhoogt in een breder wordend frequentiebereik rond de stopband. Demping in de hoststructuur verhoogt voornamelijk de trillingsreductie buiten de stopband. De door demping beïnvloede voorspellingen van de trillingsreductie zijn experimenteel gevalideerd door middel van dispersiecurvemetingen.De impact van demping op het geluidstransmissieverlies is vervolgens geanalyseerd voor oneindig periodische en eindige lokaal resonante metamateriaalplaten. Het geluidstransmissieverlies in en rond de stopband wordt voornamelijk bepaald door de demping in de resonator, die de piekreductie vermindert en de mogelijke laagfrequente coincidentiezone na de stopband verbetert. De resonante geluidstransmissie door structurele modes buiten de stopband wordt verminderd in een breder wordend frequentiebereik rond de stopband. Demping in de hoststructuur vermindert hoofdzakelijk de resonante geluidstransmissie buiten de stopband. De door demping beïnvloede voorspellingen van het geluidstransmissieverlies zijn experimenteel gevalideerd door middel van metingen van het insertieverlies en geluidstransmissieverlies.Uiteindelijk is, met het oog op het verbeteren en verbreden van de geluids-isolatieprestaties, het potentieel van een lokaal resonante metamateriaaldubbelwand geanalyseerd en experimenteel onderzocht."