Από την Αεροδιαστημική στις Οικιακές Εφαρμογές, Προηγμένα Αουξετικά Μετρητικά Όργανα Έτοιμα για Ευρεία Χρήση

Τα αουξετικά υλικά διαφέρουν από τα κλασικά υλικά στο ότι εμφανίζουν αρνητικούς συντελεστές Poisson. Με άλλα λόγια, υπό την τάση που εφαρμόζεται στη διαμήκη κατεύθυνση, τα αουξετικά διαστέλλονται στην κάθετη διαγώνια κατεύθυνση. 

Οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναζητούν αουξετικές ιδιότητες στα υλικά. Πρόσφατα, ο Noah Stocek, φοιτητής διδακτορικού που συνεργάζεται με Western physicist Giovanni Fanchini, έχει αναπτύξει ένα τέτοιο νανοϋλικό. 

Δισδιάστατα Αουξετικά Νανοφύλλα

Και οι δύο επιστήμονες εργάστηκαν στο Interface Science Western για την ανάπτυξη δισδιάστατων νανοφύλλων ημιανθρακικού του βανδαρίου, γνωστών και ως W2C. Πρόκειται για χημικές ενώσεις που περιέχουν ίσα μέρη ατόμων βανδαρίου και άνθρακα. Συμμορφούμενοι με τις ιδιότητες των αουξετικών υλικών, αυτά τα νανοϋλικά διαστέλλονται κάθετα στην εφαρμοσμένη δύναμη όταν τεντώνονται σε μία κατεύθυνση. 

Η ανάπτυξη είναι σημαντική επειδή αποτελεί μόνο το δεύτερο υλικό που διαστέλλεται σημαντικά με τρόπο αντίθετο από τα κλασικά υλικά. Πριν από αυτό, υπήρχε μόνο ένα αναφερθέν υλικό που μπορούσε να διαστέλλεται κατά 10 τοις εκατό ανά μονάδα μήκους αντισυμβατικά. Το τρέχον νανοϋλικό, το νανοφύλλο ημιανθρακικού του βανδαρίου, μπορεί να διαστέλλεται κατά 40 τοις εκατό. Πρόκειται για νέο παγκόσμιο ρεκόρ. Εξηγώντας την επίτευξη αυτής της ανάπτυξης, ο Stoeck είπε:

«Το 2018, οι θεωρητικοί πρόβλεψαν ότι θα μπορούσε να εμφανίσει αυτή τη συμπεριφορά σε εξαιρετικό επίπεδο, αλλά κανείς δεν είχε καταφέρει να το αναπτύξει, παρά τις εκτενείς προσπάθειες ερευνητικών ομάδων σε όλο τον κόσμο.»

Για να εξηγήσουν πιο λεπτομερώς τι ανέπτυξαν οι Stoeck και Fanchini, ανέφεραν επιστημονικά και πειραματικά ένα ειδικά σχεδιασμένο σύστημα απομακρυσμένης πλάσματος διπλής ζώνης που μπορούσε να παράγει καρβίδια βανδαρίου εκτός θερμοδυναμικής ισορροπίας με καλά ρυθμισμένες αναλογίες προγόνων W και C. Η έρευνα τόνισε τις συγκεκριμένες συνθήκες υπό τις οποίες αυτό το σύστημα επέτρεψε τη σύνθεση φύλλων λίγων στρωμάτων ημιανθρακικού βανδαρίου (FL-W2C). Αυτά τα φύλλα ήταν δισδιάστατα, καθώς μπορούσαν να διατηρήσουν την περιοδικότητά τους σε μεσοσκοπικό επίπεδο σε διαδικασία ανάπτυξης Stranski–Krastanov.

Μια Νέα Μετάβαση από Χημικές Μεθόδους στη Φυσική Πλάσματος

Το ζευγάρι των δημιουργών εντόπισε σε πολύ πρώιμο στάδιο της διαδικασίας τους ότι ήταν αδύνατο να κατασκευάσουν ένα νέο νανοϋλικό ημιανθρακικού βανδαρίου χρησιμοποιώντας χημικές μεθόδους. Ως αποτέλεσμα, μεταπήδησαν στη φυσική πλάσματος, με στόχο τη δημιουργία στρωμάτων μονού ατόμου. 

Για να υλοποιήσουν την ανάπτυξη του νανοϋλικού αξιοποιώντας τις μεθόδους πλάσματος, το ζευγάρι απομακρύνθηκε από τη συμβατική διαδρομή των ειδικών φούρνων όπου τα αέρια θα θερμαίνονταν σε υψηλή θερμοκρασία για χημική αντίδραση και σχηματισμό της ουσίας. Σχεδίασαν ένα νέο προσαρμοσμένο σύστημα οργάνων για παραγωγή πλάσματος, το οποίο περιέχει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια.

Εφαρμογές του Πρόσφατα Αναπτυγμένου Νανοϋλικού

Μία από τις πιο χρήσιμες πιθανές εφαρμογές αυτών των νανοφύλλων θα μπορούσε να είναι ένας ριζικά νέος τύπος διαβητικού μετρητή. Αυτοί οι μετρητές θα μπορούσαν να μετρούν τη διαστολή με πολύ αποτελεσματικό τρόπο και να τεντώνονται σε όλα, από τα φτερά αεροπλάνων μέχρι τις οικιακές υδραυλικές εγκαταστάσεις.

Δεδομένου ότι αυτά τα υλικά είναι πιο ηλεκτρικά αγώγιμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αισθητήρες ή συσκευές για την ανίχνευση αλλαγών και μετατοπίσεων στο περιβάλλον. Όχι μόνο μπορούν να ανιχνεύσουν αυτά τα υλικά, αλλά λόγω των «αισθητηριακών» δυνατοτήτων τους, μπορούν επίσης να στέλνουν πληροφορίες σε άλλα ηλεκτρονικά συστήματα. 

Φανταστείτε αν θέλετε να μάθετε αν ένας σωλήνας στο σπίτι σας παραμορφώνεται και κινδυνεύει να σκάσει σε κάποιο σημείο. Μπορείτε να τοποθετήσετε έναν αισθητήρα στον σωλήνα φτιαγμένο από αυτό το δισδιάστατο νανοϋλικό και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσετε έναν υπολογιστή για να παρακολουθείτε το ρεύμα που διαρρέει. Αν το ρεύμα αυξηθεί, σημαίνει ότι ο σωλήνας διαστέλλεται και κινδυνεύει να σκάσει.

«Imagine if you want to know if a pipe in your house is deforming and risks bursting at some point. You can stick a sensor on the pipe made from this two-dimensional nanomaterial and then use a computer to monitor the current passing through it. If the current rises, it means the pipe is expanding and risks bursting.»

Στο μέλλον, περαιτέρω ανάπτυξη των αουξετικών ιδιοτήτων ενός υλικού θα οδηγήσει σίγουρα σε νέες λύσεις. Προς το παρόν, εταιρείες όπως η Michigan Scientific Corporation και η Omega εστιάζουν έντονα στην κατασκευή και ανάπτυξη διαβητικών μετρητών. Αυτές οι εταιρείες θα μπορούσαν να αρχίσουν να αξιοποιούν αυτήν την ανάπτυξη και το παραγόμενο νανοϋλικό ως αποτέλεσμα για να προωθήσουν το χαρτοφυλάκιο προϊόντων/λύσεων τους.

#1. Omega

Η Omega, μάρκα DwyerOmega, μπορεί να αξιοποιήσει το νανοϋλικό για να ενισχύσει περαιτέρω τη στιβαρή και ποικίλη σειρά διαβητικών μετρητών της. Τα διαβητικά μετρητές διαφράγματος της μπορούν να μετρούν την παραμόρφωση και το στρες σε διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων της πίεσης, της δύναμης, της μετατόπισης και της παραμόρφωσης σε μέταλλα, πλαστικά και σύνθετα υλικά. Η σειρά διπλών παράλληλων διαβητικών μετρητών βοηθά στην αξιόπιστη μέτρηση του κάμπτου στρες σε πολλές εφαρμογές. 

Η Omega διαθέτει επίσης διαβητικούς μετρητές στρέψης και διάτμησης, γραμμικούς διαβητικούς μετρητές, διαβητικούς μετρητές τύπου T-ρόζας και ρόζας. Με στενές ανοχές για ευκολότερη ευθυγράμμιση, οι μετρητές της Omega προσφέρουν αξιόπιστη απόδοση και μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Οι πλήρεις γέφυρες (Full Bridge) και ημι-γέφυρες (Half Bridge) διαβητικών μετρητών δείχνουν εξαιρετική γραμμικότητα και συμβατότητα με ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. 

Οι διαβητικοί μετρητές T-Ρόζας μπορούν να μετρήσουν τις επιδράσεις της θερμοκρασίας, του φορτίου και των δονήσεων στα εξαρτήματα. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι για τη μέτρηση διπλής άξονα στρες με γνωστές κύριες κατευθύνσεις.

Η εταιρεία βρίσκεται σε ιδανική θέση για να αναπτύξει μια νέα σειρά προϊόντων βασισμένη σε αουξετικούς μετρητές ή να επεκτείνει την υπάρχουσα σειρά προϊόντων της με αουξετικές ιδιότητες.

Η DwyerOmega εμφανίστηκε ως μάρκα μετά την Dwyer Instruments, Inc. συμφώνησε να αποκτήσει την OMEGA Engineering, Inc. από τη Spectris plc (LSE:SXS) για περίπου 530 εκατομμύρια δολάρια στις 19 Απριλίου 2022. Η Dwyer πλήρωσε 525 εκατομμύρια δολάρια με αποτίμηση περίπου 20,4 φορές το προσαρμοσμένο EBITDA της Omega για το 2021. Για το οικονομικό έτος 2021, η Omega πέτυχε πωλήσεις 129 εκατομμυρίων λιρών (168 εκατομμύρια δολάρια) και προσαρμοσμένο EBITDA 19,7 εκατομμύρια λιρών (25,7 εκατομμύρια δολάρια).

#2. Michigan Scientific Corporation

Η Michigan Scientific Corporation, ιδιωτική εταιρεία με έδρα το Charlevoix, Michigan, Ηνωμένες Πολιτείες, είναι γνωστή για την προσφορά μιας σειράς μηχανικών υπηρεσιών, προϊόντων και λύσεων. Ένας τομέας όπου αυτή η εταιρεία θα μπορούσε να αξιοποιήσει εξαιρετικά αυτήν την ανάπτυξη είναι οι υπηρεσίες διαβητικών μετρητών της. 

Η εταιρεία είναι ειδική στον σχεδιασμό και τη δημιουργία προσαρμοσμένων μετατροπέων διαβητικών μετρητών, οι οποίοι θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες περιπτώσεις, όπως η μέτρηση δυνάμεων ανάρτησης οχημάτων, ροπών συστήματος κίνησης, δυνάμεων στοιχείων διεύθυνσης, φορτίων κινητήρα και μοτέρ, καθώς και ροπών φρένων σε οχήματα στο πεδίο.

Οι λύσεις της Michigan περιλαμβάνουν μετατροπείς ροπής άξονα, μετατροπείς τράνου, μετατροπείς διατμητικού πινέζας, και προϊόντα για μέτρηση διαβήτη μισού άξονα, μέτρηση διαβήτη άξονα κίνησης, μέτρηση αξονικής δύναμης και άλλα.

Οι εφαρμογές οργάνωσης αυτών των λύσεων περιλαμβάνουν οργάνωση κυκλωματικών πλακετών για παρακολούθηση στρες, πάνελ θυρών θερμικής θάλασσας που παρακολουθούνται για παραμόρφωση κατά την κατασκευή, και πλήρως εξοπλισμένα βιομηχανικά μεγέθη άξονων κίνησης. Αυτές οι λύσεις επίσης συλλέγουν και αναλύουν δεδομένα που λαμβάνονται από τα έργα στα οποία εφαρμόζονται.

Έχουμε ήδη παρατηρήσει ότι οι «αισθητηριακές» δυνατότητες των πρόσφατα αναπτυγμένων διαβητικών μετρητών προσθέτουν στην αξία τους. Αυτό θα ήταν μια προσθήκη αξίας και για τη Morgan Scientific Corporation, η οποία δραστηριοποιείται στην εγκατάσταση διαβητικών μετρητών επί τόπου στις τοποθεσίες πελατών για την οργάνωση των εξαρτημάτων του πελάτη και την καταγραφή δεδομένων που υποστηρίζουν μια σειρά δοκιμών και δραστηριοτήτων ανάπτυξης.

Άλλες Σημαντικές Πρόσφατες Εξελίξεις στα Αουξετικά

Αουξετικά στην Πολιτική Κατασκευή

Σύμφωνα με αναφορές που δημοσιεύθηκαν στο International Journal of Protective Structures, τα αουξετικά υλικά βρίσκουν αυξανόμενη χρήση σε τομείς που σχετίζονται με την πολιτική μηχανική. Θα μπορούσαν να συνδυαστούν με τσιμεντοειδή υλικά σε διάφορες μορφές, όπως σύνθετο αφρού-συγκολλητικού, σύνθετο υφάσματος-συγκολλητικού και σύνθετο τσιμεντοειδούς ενισχυμένο με ίνες.

Τα αουξετικά στρώματα αφρού, για παράδειγμα, αποδεικνύονται χρήσιμα στην ανακατασκευή εύθραυστων τοίχων τούβλων υπό συμπίεση. Αυξάνουν σημαντικά το φαινόμενο ενίσχυσης της παραμόρφωσης μετά την απόδοση στο τσιμεντοειδές σύνθετο.

Τα αουξετικά υφάσματα προσφέρουν υψηλότερη αντοχή σε διάτμηση και αξιοσημείωτη αντοχή στο σπάσιμο. Ως αποτέλεσμα, αυτά τα σύνθετα υλικά είναι χρήσιμα για την αντιμετώπιση των προκλήσεων που θέτει η χαμηλή συμπιεστική αντοχή του Αουξετικού Σκυροδέματος (AFM), το οποίο έχει πορώδη δομή και χαμηλή πυκνότητα.

Το αουξετικό σύνθετο τσιμεντοειδές ενισχυμένο με ίνες λύνει πολλά από τα μειονεκτήματα των συμβατικών τσιμεντοειδών υλικών, όπως η φτωχή πλαστικότητα, η ανεπαρκής εφελκτική αντοχή και η χαμηλή αντοχή στο σπάσιμο.

Αουξετικά σε Ίνα

Τα αουξετικά νήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια σειρά περιοχών, όπως σύνθετα υλικά, προσωπική προστατευτική ενδυμασία, επένδυση, σχοινιά, κορδόνια, δίχτυα ψαριών και πολλά άλλα. Οι ιδιότητες που τα αουξετικά νήματα προσφέρουν σε αυτές τις εφαρμογές περιλαμβάνουν αντίσταση στην εξαγωγή του νήματος, αντοχή στο σπάσιμο του νήματος, απορρόφηση ενέργειας, πυκνότητα και αντίσταση στην εντύπωση, αντοχή σε κρούση και άλλα.

Αουξετικά στη Βιοϊατρική 

Τα αουξετικά μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στα βιοϊατρικά υποτμήματα των προθέσεων, των χειρουργικών εμφυτευμάτων, των αγκυρών ραφής/μυών/συνδέσμων, καθώς και των διαστολέων που βοηθούν στο άνοιγμα των αιμοφόρων αγγείων κατά τη διάρκεια καρδιοχειρουργικής. 

Αουξετικά στη Βελτίωση της Ποιότητας των Πιεζοηλεκτρικών

Τα ηλεκτρόδια μπορούν να κατασκευαστούν από αουξετικά μέταλλα. Αυτά τα ηλεκτρόδια θα μπορούσαν να λειτουργούν τοποθετώντας ένα πιεζοηλεκτρικό πολυμερές ή ενσωματώνοντας κεραμικά ραβδιά πιεζοηλεκτρικά σε ένα αουξετικό πολυμερές. Διαθέτουν σημαντική δυνατότητα ενίσχυσης της πιεζοηλεκτρικής απόδοσης και μπορούν να αυξήσουν την ευαισθησία της συσκευής τουλάχιστον κατά παράγοντα δύο και έως και εκατό φορές.

Χρήση Αουξετικού σε Φίλτρα

Ο καθαρισμός φραγμένων φίλτρων είναι εφικτός χρησιμοποιώντας αουξετικό αφρό και φίλτρα κυψέλης. Συγκεκριμένα, οι αουξετικές ενσωματώσεις βοηθούν στην προσαρμογή των πόρων του φίλτρου σε αποτελεσματικό μέγεθος και σχήμα. Επιπλέον, αντισταθμίζουν τις επιδράσεις της συσσώρευσης πίεσης σε ένα φραγμένο φίλτρο. Ένα αουξετικό φίλτρο μπορεί να ανοίξει τους πόρους και στις δύο κατευθύνσεις — κατά μήκος και κάθετα προς την κατεύθυνση της τάσης.

Σχεδίαση Αουξετικών Υλικών Κατόπιν Αίτησης

Καθώς τα παραπάνω τμήματα δείχνουν, η χρήση προηγμένων αουξετικών υλικών επεκτείνεται γρήγορα και καθημερινά σε νέες περιοχές εφαρμογών. Για να ανταποκριθούν σε αυτή τη ζήτηση, οι ερευνητές έχουν ήδη διεξάγει πολύτιμες μελέτες για τη σχεδίαση αουξετικών υλικών κατόπιν αίτησης.

Το 2022, μια έρευνα με τίτλο ‘Μία τρι-βήμα συνταγή για το σχεδιασμό αουξετικών υλικών κατόπιν αίτησης δημοσιεύθηκε, όπου οι ερευνητές κατέστησαν ένα ενοποιημένο πλαίσιο για την περιγραφή δισδιάστατων τέλειων αουξετικών με πιθανή χρήση στο σχεδιασμό νέων υλικών.

Η έρευνα βασίστηκε έντονα στη φυσική σύνδεση μεταξύ περιστρεφόμενων άκαμπτων μονάδων και αντιφαινομενικών σπινικών συστημάτων. Οι ερευνητές επίσης επεξήγησαν τις συνθήκες που διευκολύνουν την εμφάνιση ενός μη-τετριμμένου «floppy» τρόπου που προκαλεί τη αουξετική συμπεριφορά.

Η έρευνα κατεύθυνε προς τρία σχέδια για νέα αουξετικά: ένα εξωτικό κρύσταλλο, ένα κβαντικό κρύσταλλο Penrose και ένα πολυαναμενόμενο ισοτροπικό αουξετικό. Η έρευνα ισχυρίστηκε ότι η αουξετικότητα αυτών των σχεδίων θα μπορούσε να παραμείνει ισχυρή υπό μικρές δομικές διαταραχές, επιβεβαιωμένη από πειράματα και αριθμητικές προσομοιώσεις.

Η θεωρία της έρευνας παρουσίασε κάθε σχέδιο με ένα ελάχιστο μοντέλο. Αυτά τα μοντέλα βασίζονταν σε πολύγωνα και ελατήρια που θα μπορούσαν να αποτυπώσουν την ουσιώδη συλλογική απόκριση των μοντέλων σε εξωτερικά φορτία.

Οι ερευνητές ήταν αισιόδοξοι ότι αυτά τα μοντέλα θα μπορούσαν να προσομοιωθούν άμεσα για τη δοκιμή των ιδιοτήτων των υλικών, αγνοώντας τις δυνάμεις κάμψης. Ένα ακόμη σημαντικό επίτευγμα των αποτελεσμάτων της έρευνας ήταν η δυνατότητα γενίκευσης της συμπεριφοράς των τοίχων αουξετικών περιοχών και των φυσικών υφών που διαθέτουν αυτά τα συστήματα λόγω της ομοιότητάς τους με τα μαγνητικά συστήματα.

Τέλος, οι ερευνητές που συμμετείχαν στην έρευνα ισχυρίστηκαν ότι είναι πρωτοποριακή, καθώς μπορεί να θέσει τα θεμέλια για τη δημιουργία πρωτοποριακών ισοτροπικών τέλειων αουξετικών. Ήταν επίσης αισιόδοξοι ότι η έρευνα θα μπορούσε να βρει εφαρμογή στην παραγωγή τρισδιάστατων πολυεδρικών υλικών.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε για τις δυνατότητες της νανοκλίμακας 3D εκτύπωσης.

Το Μέλλον για τα Προηγμένα Αουξετικά

Τώρα αποδείχθηκε χωρίς αμφιβολία ότι οι αουξετικές δομές έχουν ξεπεράσει τη φάση ενός ενιαίου σχεδίου και έχουν μεταβεί σε προσαρμοσμένες λύσεις που μπορούν να εξυπηρετήσουν μια σειρά λειτουργιών. Η εξέλιξή τους έχει δει διάφορα στοιχειώδη 2D μοτίβα, υβριδικές δομές και καινοτόμες βελτιώσεις διαστάσεων προσανατολισμένες στην απόδοση. Η εξέλιξη έχει επίσης παρατηρήσει μια επέκταση στη λίστα των υλικών που μπορεί να ενσωματώνουν αουξετικά χαρακτηριστικά. Η λίστα των συμβατών υλικών περιλαμβάνει πλέον πολυμερή, κεραμικά, μέταλλα, βιοϋλικά, τσιμέντο, υφάσματα και τσιμεντοειδείς ενώσεις.

Διαφοροποιημένα δομικά μοντέλα και γενικευμένα μοντέλα κατασκευής — και τα δύο έχουν σημειώσει βελτιώσεις, οδηγώντας στη αουξετική συμπεριφορά υλικών με υψηλή ακαμψία. Ερευνητές και τεχνολόγοι επίσης εξετάζουν τις ιδιότητες ανακατανομής του στρες των αουξετικών υλικών. 

Ωστόσο, για να γίνουν τα αουξετικά πιο προχωρημένα, πρέπει να ξεπεραστούν ορισμένες προκλήσεις. Για παράδειγμα, η απόδοση υπό υψηλής ταχύτητας κρούση και οι μηχανισμοί παραμόρφωσης και αποτυχίας απαιτούν περισσότερη προσοχή. Απαιτείται περισσότερη εργασία στην υλοποίηση της αντοχής σε κρούση. Η επαρκής προσοχή σε αυτές τις πτυχές θα μπορούσε να κάνει τα αουξετικά μια επιστημονική και τεχνολογική ιδιότητα με τεράστια αξία στην καθημερινή ζωή.

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των πέντε εταιρειών που ηγούνται της ανάπτυξης της νανοτεχνολογίας.