Auxetiske materialer har mange anvendelsesområder. Avancerede algoritmer gør dem nu lettere at skabe

Auxetiske materialer krymper og udvider sig i tværretningen, når de udsættes for aksial kompression respektive spænding. De reagerer på en måde, der er kontraintuitiv i forhold til almindelige elastiske materialer og udviser derfor en negativ Poissons forhold. Dette forhold måler deformationen i en retning vinkelret på den påførte kraft. I modsætning til de sædvanlige elastiske materialer bliver auxetiske materialer ved kompression tyndere i den retning, der er vinkelret på den påførte kraft. 

Disse materialer er blevet populære i løbet af de sidste par årtier på grund af deres nyttige egenskaber, såsom god brudstyrke, høj indryknings‑/stødmodstand, forskydningsmodul, god energiabsorption, synklastisk deformation og høj tværgående deformation. De har også høj modstand mod buler og overlegen overfladeisotropi. 

Alle disse egenskaber har beriget auxetiske materialer og sikrer, at de har bred anvendelighed. I de følgende afsnit vil vi se på nogle af disse anvendelsesområder inden for medicinsk videnskab og sundhedspleje, køretøjsingeniørkunst, beskyttelsesingeniørkunst, beklædning osv. 

Auxetiske materialer i sundhedspleje og medicinsk videnskab

Høj‑tæthed auxetisk polyethylen bruges til at udvikle kunstige intervertebrale skiver til rygkirurgi. Disse skiver kan bøje og dreje og potentielt give forbedret biomekanisk ydeevne sammenlignet med traditionelle udskiftningsløsninger for skiver. Deres auxetiske egenskaber forhindrer udbulninger, der kan skade de omkringliggende nerveender, hvilket gør det muligt for skiven at perfekt efterligne adfærden af en naturlig lumbal intervertebral skive.

En auxetisk pedikelskruen blev også foreslået for at forbedre den biomekaniske interaktion mellem den omgivende knogle og skruen, primært for rygsøjlen. 

Forskning har også hjulpet videnskabsfolk med at udvikle en auxetisk geometrisk koronar stent baseret på 316L medicinsk rustfrit stål. Denne stent kan udvide sig både i radial og længderetning og kan optimeres til en specifik diameter og blodkar længde for at skabe et bestemt lumenvolumen, hvilket minimerer stentens negative påvirkning af karvæggen.

Auxetiske materialer har også vist sig nyttige i andre medicinske anvendelser, såsom hofteimplantatstammer, fixation for lange knogler, hjerteplastre, nasofaryngeale vatpinde, ortopædiske indlægssåler og mere. De er også værdifulde inden for vævsingeniørkunst og fremstilling af strukturer og membraner til in‑vitro medicinsk udstyr.  

Klik her for at lære, hvordan avanceret additiv ingeniørkunst baner vejen for blød robotteknik.

Auxetiske materialer i køretøjsingeniørkunst

Nyere forskning har vist, at auxetiske materialer og strukturer kan give en overlegen designmetode, som forbedrer energabsorptionskarakteristikaene for traditionelle tyndvæggede rørstøddæksler og energabsorberende bokse.

Disse strukturer vil have større stivhed, en fordel i energabsorption ved kollisioner med middelhastighed og længere bufferperiode for energabsorptionen af kollisionen samt accelerations‑decelerationsprocessen for passagererne. De scorer også højt med hensyn til energabsorptionskapacitet, energabsorptions‑effektivitet og andre præstationsindikatorer.

En af forskerne på dette område foreslog specifikt en støddæksel, der bestod af en auxetisk sandwich‑bjælkestruktur og en energabsorberende blokkombination, optimeret af en multi‑mål‑algoritme, hvilket forbedrede køretøjets frontale kollisionssikkerhed. 

Auxetiske materialer i beskyttelsesingeniørkunst

Brugen af auxetiske strukturer i beskyttelsesingeniørkunst opstod på grund af deres høje energabsorption, forbedrede indryknings‑kompressionsstyrke og forstærkede forskydningsstyrke.

Forskningen hjalp med at finde auxetiske bikage‑sandwich‑panelstrukturer, der kunne beskytte den armerede betonstruktur mod alvorlige påvirkninger og nærliggende eksplosioner.

Desuden havde cylindriske sandwich‑paneler med auxetisk effekt stærkere sprængningsmodstand, og de kunne bruges til effektivt at designe robuste flyskaller, rumfartøjer, ubåds‑skrog, brændstoftanke, kulmine‑sheltere og andre buede strukturer. 

Auxetiske materialer i beklædningsingeniørkunst

Den tværgående udvidelsesegenskab ved auxetiske materialer under belastning hjælper med at danne dobbelte krumninger under bøjning. Denne egenskab gør, at beklædning fremstillet af disse materialer kan tilpasse sig de skiftende konturer af den menneskelige krop under bevægelse. Forskning viser, at auxetisk stof til graviditetstøj udviser lavere spændingskoncentration sammenlignet med traditionelle modparter. Det er også behageligt at bære. 

Dette brede spektrum af anvendelsesmuligheder har resulteret i en stigende efterspørgsel efter auxetiske materialer. For at imødekomme denne stigende efterspørgsel har forskere udviklet en tre‑trins opskrift til at designe auxetiske materialer på efterspørgsel. 

En tre‑trins procedure til at skabe auxetiske materialer på efterspørgsel

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Chicago har gjort målrettede bestræbelser på at fremskynde markedets introduktion af auxetiske produkter. 

Mere præcist har disse forskere udviklet et algoritmisk værktøj, der hjælper med præcis tredimensionel design af auxetika. Ifølge studiets medforfatter, Edwin Chan, en materialeforskningsingeniør fra NIST:

“Vi kan faktisk optimere materialet til at have de ønskede specifikke mekaniske egenskaber og adfærd.”

Forskerne har præsenteret verden med en samlet ramme for beskrivelse af todimensionale perfekte auxetika. Denne præsentation er et resultat af en større erkendelse af, at forståelse og kontrol af den perfekte auxetiske grænse kan gøre os i stand til rationelt at designe realistiske auxetika med en skræddersyet geometrisk struktur, hvor Poissons forhold forbliver negativt.

Mens de uddyber den større betydning af deres undersøgelse, havde forskerne følgende at sige:

“Vores teori forener ikke kun en stor klasse af eksisterende auxetika, der omfatter tidligere auxetiske stive enhedssystemer, men gør det også muligt at skabe en stor variation af dem, med nye og forskelligartede geometrier, inklusive det noget flygtige isotrope auxetiske materiale.”

Da forskerne var interesserede i at forstå adfærden af perfekte auxetika, brugte de den minimale todimensionale model for roterende enheder. Enhederne bestod af en række polygoner forbundet med fjedre med nul naturlig længde. Hver stive enhed havde tre frihedsgrader: to translatore og en roterende. Denne model hjalp med at fastslå fremkomsten af den auxetiske løse tilstand og indførte elasticitet i materialerne, så ikke‑ideelle scenarier også kunne studeres. 

Resultatet af den videnskabelige undersøgelse var i form af en opskrift, der ville hjælpe med at bygge perfekte auxetika. Den kræver tre ingredienser:

• Et bipartit netværk ville tillade enhederne at mod‑rotere i forhold til hinanden.
• I starten og i hvile skal hver par af nabopolygoners positionsvektorer og vertexen mellem dem være kollineære.
• Forholdet mellem afstanden fra et polygon til en af dets vertexer og afstanden fra dets nabopolygon til den samme vertex skal være en konstant i netværket.

Forskerne fremhæver, at deres teoris unikhed ligger i, at den ikke er begrænset til gitterstrukturer og kan anvendes direkte på uordnede netværk. Dette tillader opbygning af de første isotrope perfekte auxetiske materialer. Forskerne er også hjælpsomme ved, at deres teori kan udvides til 3D polyedriske materialer.

Selvom denne forskning er et gennembrud, har arbejdet med auxetiske materialer pågået i et stykke tid nu. I de følgende afsnit vil vi se på virksomheder, der har udført banebrydende arbejde med dem.

#1. Nike

Et af de førende mærker, der har udført sofistikeret arbejde inden for dette område af auxetiske strukturer, er Nike. Nike’s patent nr. US9402439B2 omhandler auxetiske strukturer, der muliggør fremstilling af såler med auxetiske strukturer. 

Normalt består fodtøj af mindst to hovedkomponenter:

• En overdel, der udgør indkapslingen for at modtage brugerens fod
• En sål fastgjort til overdelen, som fungerer som den primære kontakt til jorden eller spillefladen

Sålen kan indeholde tre undersegmenter: en indersål, en mellemsål og en ydersål. I det patenterede Nike-fodtøj er mindst ét lag af sålen fremstillet af en auxetisk struktur. Det refereres til som det auxetiske lag. 

Løb, vending, spring eller acceleration med disse sko udsætter det auxetiske lag for øget længde‑ eller lateralt spænding, hvilket øger dets længde og bredde. Dermed giver det forbedret trækkraft og absorberer noget af påvirkningen fra spillefladen.

Nike mener, at disse sko kan vise sig gavnlige for en række sports‑ og fritidsaktiviteter, herunder tennis og andre ketsjersporter, gåture, jogging, løb, vandring, håndbold, træning, løb eller gang på løbebånd samt holdsport som basketball, volleyball, lacrosse, landhockey og fodbold.

For det fulde regnskabsår 2023, Nike rapporterede en omsætning på US$51,2 milliarder, en stigning på 10 procent sammenlignet med året før og en stigning på 16 procent på en valutaneutral basis. 

#2. Airbus

Airbus Defence and Space modtog et patent på en deformerbar auxetisk struktur og fremstillingsproces. Opfindelsen har til formål at give letvægtsbeskyttelse mod høj‑energi påvirkninger i flykroppe og -systemer ved hjælp af et enkelt integreret sandwich‑panel, der udnytter den todimensionale auxetiske adfærd i de to retninger, der udgør panelets overflade. 

Airbus antyder, at sådan beskyttelse ville være yderst gavnlig i højt integrerede bagende motor‑drevne flykonfigurationer, herunder Open‑Rotor eller Boundary‑Layer Ingestion arkitekturer. I disse konfigurationer er beskyttelsesforanstaltninger (skærme) nødvendige på grund af sikkerhedsbekymringer mod høj‑energi påvirkninger på skroget fra propellerbladudslip (PBR) og motoraffald (ukontrolleret motorrotationsfejl med små fragmenter og tredje skive).

Strukturen har en auxetisk opbygning bestående af en række sammenkoblede tredimensionale auxetiske celler. Dette design sikrer, at uanset om overfladeelementet har en plan overflade, en buet overflade eller en sammensætning af forskellige planoverflader, vil den resulterende struktur opnå auxetisk adfærd på hver af disse planer. Derudover vil den udvise auxetisk adfærd i mere end én dimension vinkelret på den primære påvirkningsretning.

I 2023, Airbus registrerede en omsætning på mere end 65 milliarder euro, en betydelig stigning fra 58,8 milliarder euro indtjente i 2022. 

Skabelse af auxetiske materialer: Hvordan fremtiden ser ud

Den forskning, der indledte vores diskussion, kunne opnå mange gennembrud. Den kunne levere en letforståelig model til at skabe, designe og karakterisere roterende enheds‑auxetika. Modeller, der validerer teorien, var effektive til enkel simulering af materialegenskaber, mens de ignorerede bøjning. Modellerne kunne dog også tilpasses bøjning, hvis nødvendigt. Arbejdet førte til fastlæggelse af grundreglerne for at skabe hidtil usete isotrope perfekte auxetika. Det eneste, der krævedes, var yderligere forskning i dynamisk og vibrerende analyse.

Selvom forskning og udforskning er en uendelig proces inden for videnskab og teknologi, er der behov for yderligere undersøgelser af auxetiske materialers levedygtighed som forstærkning, især for bærende anvendelser. Overdrevne deformationer er nødvendige for at udløse fordelene ved auxetiskhed. Disse deformationer kan overstige de brugbarhedsgrænser, der er specificeret for strukturelementer under statisk belastning. I denne henseende har forskerne peget på behovet for skræddersyede designs, der opfylder både styrke‑ og stivhedskrav.

Inden for biomedicinsk anvendelse opstår behovet for 3D‑auxetika, som kun kan opnås ved additive fremstillingsprocedurer. Disse procedurer bør forbedres for at sikre den langsigtede ydeevne af medicinsk udstyr. Den avancerede algoritme‑baserede proces til at skabe auxetika kan være nyttig i disse tilfælde, da de fleste additive teknologier fører til intrinsisk anisotrope resultater på grund af lag‑for‑lag processen, hvilket kan påvirke de mekaniske egenskaber af løsningerne. 

Selvom disse udfordringer fortsætter, er forskerne håbefulde om, at nogle af de kommende tendenser, hvis de skaleres op med succes, kan føre til en mere entusiastisk adoption af auxetika. Sådanne tendenser inkluderer at skabe synergier mellem 4D‑printning og auxetiske geometrier, fremstilling af formhukommelsesmaterialer og -mekanismer osv.

Auxetika kan også finde øget anvendelse i biohybride materialer, hvor et auxetisk scaffold koloniseret af celler kan føre til mere autonome aktuatorer. Ifølge forskerne er disse materialer i stand til at overgå de nuværende tilgængelige “smarte”, aktive eller multifunktionelle materialer og strukturer.

Et af de fremtrædende eksempler på brugen af biohybrider er i form af mikro‑robotter med auxetisk chassis og mekanismer, der drives af levende celler. Disse løsninger, især de elektrisk stimuli‑aktiverede kardiomyocytter eller muskel‑skeletceller, kan i fremtiden anvendes som kirurgiske aktuatorer.

Alt i alt præsenterer auxetika os for et minefelt af muligheder. Alt hvad der kræves, er mere forskning og ressourcer til at skalere op og levere gennemførlige løsninger, der holder i meget lang tid.

Klik her for at lære, hvordan avancerede auxetiske måleinstrumenter, fra rumfart til hjemmeapplikationer, er klar til bred anvendelse.