Materialwissenschaft
Auxetische Materialien haben zahlreiche Anwendungsfälle. Fortschrittliche Algorithmen erleichtern jetzt ihre Herstellung
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Auxetische Materialien schrumpfen und dehnen sich in der transversalen Richtung, wenn sie axialer Kompression bzw. Zugkraft ausgesetzt werden. Sie reagieren auf eine Weise, die im Gegensatz zu herkömmlichen elastischen Materialien steht und weisen daher ein negatives Poisson‑Verhältnis auf. Dieses Verhältnis misst die Deformation in einer Richtung senkrecht zur aufgebrachten Kraft. Im Gegensatz zu üblichen elastischen Materialien werden auxetische Materialien bei Kompression dünner in der Richtung senkrecht zur aufgebrachten Kraft.
Diese Materialien sind in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften populär geworden, wie z. B. gute Bruchzähigkeit, hohe Eindring‑/Stoßfestigkeit, Schermodul, gute Energieabsorption, synklastische Verformung und hohe transversale Dehnung. Sie besitzen zudem eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Dellen und eine überlegene Oberflächenisotropie.
All diese Eigenschaften haben auxetische Materialien bereichert und stellen sicher, dass sie weit verbreitet einsetzbar sind. In den folgenden Abschnitten betrachten wir einige dieser Anwendungsfälle in den Bereichen Medizintechnik und Gesundheitswesen, Fahrzeugtechnik, Schutztechnik, Bekleidung usw.
Auxetische Materialien im Gesundheitswesen und in der Medizintechnik
Hochdichtes auxetisches Polyethylen wird verwendet zur Entwicklung künstlicher Bandscheiben für die Wirbelsäulenchirurgie. Diese Scheiben können sich biegen und verdrehen und potenziell eine verbesserte biomechanische Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Bandscheibenersatzlösungen bieten. Ihre auxetischen Eigenschaften verhindern Vorwölbungen, die die umliegenden Nervenenden verletzen könnten, sodass die Scheibe das Verhalten einer natürlichen lumbalen Bandscheibe perfekt nachahmen kann.
Eine auxetische Pedikelschraube wurde ebenfalls vorgeschlagen zur Verbesserung der biomechanischen Wechselwirkung zwischen dem umgebenden Knochen und der Schraube, hauptsächlich für die Wirbelsäule.
Forschungen halfen Wissenschaftlern außerdem, einen auxetischen Geometrie‑Koronarstent aus 316L medizinischem Edelstahl zu entwickeln. Dieser Stent kann sich sowohl radial als auch longitudinal ausdehnen und für einen spezifischen Durchmesser und Gefäßlänge optimiert werden, um ein bestimmtes Lumenvolumen zu erzeugen, wodurch die negative Auswirkung des Stents auf die Gefäßwand minimiert wird.
Auxetische Materialien haben sich auch in anderen medizinischen Anwendungen als nützlich erwiesen, wie Hüftimplantat‑Stielen, Fixierungen für lange Knochen, Herzpatches, nasopharyngeale Tupfer, orthopädische Einlagen und mehr. Sie sind zudem wertvoll in der Gewebeengineering und der Herstellung von Strukturen und Membranen für in‑vitro‑medizinische Geräte.
Auxetische Materialien in der Fahrzeugtechnik
Aktuelle Forschungen haben gezeigt, dass auxetische Materialien und Strukturen eine überlegene Konstruktionsmethode bieten können, die die Energieabsorptionseigenschaften herkömmlicher dünnwandiger Rohrstoßstangen und energieabsorbierender Kästen verbessert.
Diese Strukturen würden eine höhere Steifigkeit, einen Vorteil bei der Energieabsorption bei Mittelgeschwindigkeitskollisionen und eine längere Pufferzeit für die Energieabsorption der Kollision sowie den Beschleunigungs‑ und Verzögerungsprozess der Insassen aufweisen. Sie erzielen zudem hohe Werte hinsichtlich Energieabsorptionskapazität, Energieabsorptionseffizienz und anderer Leistungskennzahlen.
Einer der Forscher in diesem Bereich schlug speziell einen Stoßfänger vor, der aus einer auxetischen Sandwich‑Balkenstruktur und einer Kombination aus energieabsorbierendem Block besteht, optimiert durch einen Multi‑Objektiv‑Algorithmus, der die Frontcrash‑Sicherheit des Fahrzeugs verbesserte.
Auxetische Materialien in der Schutztechnik
Der Einsatz auxetischer Strukturen in der Schutztechnik resultierte aus ihrer hohen Energieabsorption, verbesserten Eindring‑Kompressionsfestigkeit und erhöhten Scherfestigkeit.
Die Forschung half, auxetische Wabenkern‑Sandwich‑Plattenstrukturen zu finden, die die Stahlbetonkonstruktion vor schweren Aufprall- und Nahbereichsprallbelastungen schützen können.
Außerdem hatten zylindrische Sandwich‑Platten mit auxetischem Effekt stärkere Sprengschutz‑Eigenschaften und konnten effizient zur Konstruktion robuster Flugzeughüllen, Raumfahrzeuge, U‑Boot‑Rümpfe, Kraftstofftanks, Kohlebergwerksunterkünfte und anderer gekrümmter Strukturen verwendet werden.
Auxetische Materialien in der Bekleidungstechnik
Die transversale Ausdehnungseigenschaft von auxetischen Materialien unter Belastung hilft, Doppelkrummungen beim Biegen zu erzeugen. Diese Eigenschaft ermöglicht es Bekleidung aus diesen Materialien, sich den sich ändernden Konturen des menschlichen Körpers während der Bewegung anzupassen. Forschungen zeigen, dass auxetische Stoffe für Umstandskleidung eine geringere Spannungs Konzentration im Vergleich zu herkömmlichen Gegenstücken aufweisen. Sie sind zudem angenehm zu tragen.
Dieses breite Anwendungsspektrum hat zu einer stark gestiegenen Nachfrage nach auxetischen Materialien geführt. Um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, haben Forscher ein dreistufiges Rezept zur Gestaltung auxetischer Materialien auf Abruf entwickelt.
Ein dreistufiges Verfahren zur Herstellung auxetischer Materialien auf Abruf
Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Chicago haben konzertierte Anstrengungen unternommen, um die Markteinführung auxetischer Produkte zu beschleunigen.
Genauer gesagt haben diese Forscher ein algorithmisches Werkzeug entwickelt, das bei der präzisen dreidimensionalen Gestaltung von Auxetika hilft. Laut dem Mitautor der Studie, Edwin Chan, einem Materialforschungsingenieur von NIST:
“Wir können das Material tatsächlich so optimieren, dass es genau die gewünschten mechanischen Eigenschaften und das gewünschte Verhalten aufweist.”
Die Forscher haben der Welt ein einheitliches Rahmenwerk zur Beschreibung zweidimensionaler perfekter Auxetika vorgestellt. Diese Präsentation ist das Ergebnis einer größeren Erkenntnis, dass das Verständnis und die Kontrolle der perfekten auxetischen Grenze es ermöglichen könnte, realistische Auxetika rational zu entwerfen, mit einer maßgeschneiderten geometrischen Struktur, bei der das Poisson‑Verhältnis negativ bleibt.
Während sie die größere Bedeutung ihrer Studie erläuterten, sagten die Forscher:
“Unsere Theorie vereinigt nicht nur eine große Klasse bestehender Auxetika, die frühere auxetische starre Einheitssysteme umfassen, sondern ermöglicht es auch, eine große Vielfalt davon zu schaffen, mit neuen und unterschiedlichen Geometrien, einschließlich des etwas schwer fassbaren isotropen auxetischen Materials.”
Da die Forscher daran interessiert waren, das Verhalten perfekter Auxetika zu verstehen, nutzten sie das minimale bidimensionale Modell für rotierende Einheiten. Die Einheiten bestanden aus einer Reihe von Polygonen, die durch Federn mit null natürlicher Länge verbunden waren. Jede starre Einheit hatte drei Freiheitsgrade: zwei translatorisch und einer rotatorisch. Dieses Modell half, das Auftreten des auxetischen Floppy‑Modus zu bestimmen und führte Elastizität in Materialien ein, sodassnicht‑ideale Szenarien ebenfalls untersucht werden konnten.
Das Ergebnis der wissenschaftlichen Untersuchung lag in Form eines Rezepts vor, das beim Bau perfekter Auxetika helfen würde. Es würde drei Zutaten erfordern:
- Ein bipartites Netzwerk würde den Einheiten erlauben, sich gegenseitig entgegenzueinander zu drehen.
- Zu Beginn und im Ruhezustand müssen die Positionsvektoren jedes benachbarten Polygons und der dazwischen liegende Scheitelpunkt kollinear sein.
- Das Verhältnis zwischen dem Abstand eines Polygons zu einem seiner Scheitelpunkte und dem Abstand seines Nachbarn zu demselben Scheitelpunkt muss im Netzwerk konstant sein.
Die Forscher betonen, dass die Einzigartigkeit ihrer Theorie darin liegt, dass sie nicht auf Gitter beschränkt ist und direkt auf ungeordnete Netzwerke angewendet werden kann. Dies ermöglicht den Bau der ersten isotropen perfekten auxetischen Materialien. Die Forscher weisen zudem darauf hin, dass ihre Theorie auf 3‑dimensionale polyedrische Materialien erweitert werden könnte.
Obwohl diese Forschung ein Durchbruch ist, wird seit geraumer Zeit an auxetischen Materialien gearbeitet. In den folgenden Abschnitten betrachten wir Unternehmen, die bahnbrechende Arbeiten daran durchführen.
#1. Nike
Eine der führenden Marken, die in diesem Bereich auxetischer Strukturen anspruchsvolle Arbeit geleistet hat, ist Nike. Nikes Patent Nr. US9402439B2 behandelt auxetische Strukturen, die den Bau von Sohlen mit auxetischen Strukturen ermöglichen.
Normalerweise besteht Schuhwerk aus mindestens zwei Hauptkomponenten:
- Ein Obermaterial, das die Umhüllung für den Fuß des Trägers bietet
- Eine Sohle, die am Obermaterial befestigt ist und als primärer Kontakt zum Boden oder zur Spielfläche dient
Die Sohle kann drei Unterschichten umfassen: eine Innensohle, eine Zwischensohle und eine Außensohle. In den von Nike patentierten Schuhen ist mindestens eine Schicht der Sohle aus einer auxetischen Struktur gefertigt. Diese wird als auxetische Schicht bezeichnet.
Laufen, Drehen, Springen oder Beschleunigen mit diesen Schuhen setzt die auxetische Schicht einer erhöhten longitudinalen oder lateralen Spannung aus, wodurch ihre Länge und Breite zunehmen. Dadurch bietet sie verbesserten Grip und absorbiert einen Teil der Aufprallkräfte der Spielfläche.
Nike ist der Ansicht, dass diese Schuhe für eine Reihe von Sport- und Freizeitaktivitäten von Nutzen sein könnten, einschließlich Tennis und anderen Schlägersportarten, Gehen, Joggen, Laufen, Wandern, Handball, Training, Laufen oder Gehen auf dem Laufband sowie Mannschaftssportarten wie Basketball, Volleyball, Lacrosse, Feldhockey und Fußball.
NKE Preisdiagramm
Für das gesamte Geschäftsjahr 2023 meldete Nike Umsätze von US$51,2 Milliarden, ein Anstieg von 10 % im Vergleich zum Vorjahr und ein Anstieg von 16 % auf Währungsneutraler Basis.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space erhielt ein Patent auf eine deformierbare auxetische Struktur und einen Fertigungsprozess. Die Erfindung zielt darauf ab, leichten Schutz gegen hochenergetische Aufprälle in Flugzeugtragwerken und -systemen zu bieten, indem ein einzelnes integriertes Sandwich‑Panel verwendet wird, das das bidimensionale auxetische Verhalten in den beiden Richtungen, die die Oberfläche des Panels bilden, nutzt.
Airbus schlägt vor, dass ein solcher Schutz in stark integrierten, rückwärtig motorgetriebenen Flugzeugkonfigurationen, einschließlich Open‑Rotor‑ oder Boundary‑Layer‑Ingestion‑Architekturen, von großem Nutzen wäre. In diesen Konfigurationen sind Schutzvorrichtungen (Abschirmungen) aufgrund von Sicherheitsbedenken gegen hochenergetische Aufprälle auf den Rumpf durch Propellerblatt‑Freisetzung (PBR) und Triebwerksdebris (uncontainierte Triebwerksrotationsfehler‑kleine Fragmente und dritte Scheibe) erforderlich.
Die Struktur weist eine auxetische Anordnung auf, die aus einer Vielzahl miteinander verbundener, benachbarter dreidimensionaler auxetischer Zellen besteht. Dieses Design stellt sicher, dass unabhängig davon, ob das Oberflächenelement eine ebene Fläche, eine gekrümmte Fläche oder eine Zusammensetzung verschiedener ebener Flächen hat, die resultierende Struktur auf jeder dieser Ebenen auxetisches Verhalten erzielt. Zusätzlich wird auxetisches Verhalten in mehr als einer Dimension senkrecht zur Hauptstoßrichtung gezeigt.
Im Jahr 2023 registrierte Airbus einen Umsatz von mehr als 65 Milliarden Euro, ein signifikanter Anstieg gegenüber 58,8 Milliarden Euro im Jahr 2022.
Erstellung auxetischer Materialien: Wie die Zukunft aussieht
Die Forschung, die unsere Diskussion eröffnet hat, könnte viele Durchbrüche erzielen. Sie könnte ein leicht nachvollziehbares Modell zur Erstellung, Gestaltung und Charakterisierung rotierender Einheit‑Auxetika bereitstellen. Modelle, die die Theorie validierten, waren wirksam für einfache Simulationen zur Prüfung von Materialeigenschaften, wobei Biegekräfte ignoriert wurden. Die Modelle konnten jedoch bei Bedarf Biegungen berücksichtigen. Die Arbeit führte zur Festlegung der Grundregeln für die Schaffung bisher unbekannter isotroper perfekter Auxetika. Das Einzige, was dafür nötig war, war weitere Forschung zur dynamischen und Schwingungsanalyse.
Während Forschung und Erkundung ein nie endender Prozess in Wissenschaft und Technologie sind, muss weiter untersucht werden, wie auxetische Materialien als Verstärkung, insbesondere für tragende Anwendungen, einsetzbar sind. Übermäßige Verformungen sind erforderlich, um die Vorteile der Auxetizität zu aktivieren. Diese Verformungen könnten die Gebrauchstauglichkeitsgrenzen überschreiten, die für Bauteile bei statischer Belastung festgelegt sind. In diesem Zusammenhang haben Forscher auf die Notwendigkeit maßgeschneiderter Designs hingewiesen, die sowohl den Anforderungen an Festigkeit als auch an Steifigkeit gerecht werden.
Im Bereich der biomedizinischen Anwendung entsteht der Bedarf an 3‑D‑Auxetika, die nur durch additive Fertigungsverfahren realisiert werden können. Diese Verfahren sollten verbessert werden, um die langfristige Leistung medizinischer Geräte sicherzustellen. Der fortschrittliche, algorithmusbasierte Prozess zur Herstellung von Auxetika könnte in diesen Fällen nützlich sein, da die meisten additiven Technologien intrinsisch anisotrope Ergebnisse aufgrund des Schicht‑für‑Schicht‑Verfahrens liefern, was die mechanische Leistung der Lösungen beeinträchtigen kann.
Obwohl diese Herausforderungen bestehen bleiben, sind die Forscher zuversichtlich, dass einige zukünftige Trends, wenn sie erfolgreich skaliert werden, zu einer breiteren Akzeptanz von Auxetika führen könnten. Zu diesen Trends gehören die Schaffung von Synergien zwischen 4‑D‑Druck und auxetischen Geometrien, die Herstellung von Formgedächtnismaterialien und -mechanismen usw.
Auxetika könnten auch vermehrt in biohybriden Materialien eingesetzt werden, bei denen ein auxetisches Gerüst, das von Zellen besiedelt ist, zu autonomeren Aktuatoren führen kann. Laut den Forschern sind diese Materialien in der Lage, derzeit verfügbare „intelligente“, aktive oder multifunktionale Materialien und Strukturen zu übertreffen.
Ein herausragendes Beispiel für die Nutzung von Biohybriden ist die Form von Mikro‑Bots, die über ein auxetisches Chassis und Mechanismen verfügen, die von lebenden Zellen betrieben werden. Diese Lösungen, insbesondere die durch elektrische Stimuli aktivierten Kardiomyozyten oder Muskel‑/Skelettzellen, können künftig als chirurgische Aktuatoren eingesetzt werden.
Insgesamt bietet uns das Feld der Auxetika ein Minenfeld an Möglichkeiten. Alles, was es braucht, ist mehr Forschung und Ressourcen, um es zu skalieren und praktikable Lösungen zu bieten, die sehr lange halten.
