Avaruustekniikasta kotisovelluksiin, kehittyneet auxettiset mittarit valmiina laajamittaiseen käyttöön

Auxettiset materiaalit eroavat perinteisistä materiaaleista siinä, että ne osoittavat negatiivisen Poissonin suhteen. Toisin sanoen, kun pitkittäissuunnassa kohdistetaan vetoa, auxetit laajenevat kohtisuorassa poikittaissuunnassa. 

Tiedemiehet jatkavat auxettisten ominaisuuksien etsimistä materiaaleissa. Äskettäin Noah Stocek, tohtoriopiskelija, joka tekee yhteistyötä Westernin fyysikko Giovanni Fanchini, on kehittänyt tämänkaltaisen nanomateriaalin. 

Kaksidimensionaaliset auxettiset nanosheetit

Molemmat tutkijat työskentelivät Interface Science Western -laitoksessa kehittääkseen 2‑D nanosheetteja volframisemi‑karbidista, joka tunnetaan myös nimellä W2C. Nämä ovat kemiallisia yhdisteitä, joissa on yhtä paljon volframia ja hiiliatomeja. Noudattaen auxettisten materiaalien ominaisuuksia, nämä nanomateriaalit laajenevat voiman suuntaan kohtisuorasti, kun niitä venytetään yhdessä suunnassa. 

Kehitys on merkittävä, koska se on vain toinen materiaali, joka laajenee merkittävästi tavalla, joka on päinvastainen perinteisiin materiaaleihin. Ennen tätä oli raportoitu vain yksi materiaali, joka pystyi laajenemaan 10 % per pituusyksikkö vastoin intuitiota. Nykyinen nanomateriaali, volframisemi‑karbidi nanosheet, voi laajentua 40 %. Se on uusi maailmanennätys. Selittäessään tämän kehityksen saavutusta, Stoeck sanoi: 

“Vuonna 2018 teoreetikkojen ennustettiin, että se saattaa osoittaa tätä käyttäytymistä erinomaisella tasolla, mutta kukaan ei ollut pystynyt kehittämään sitä, huolimatta laajoista yrityksistä eri tutkimusryhmien ympäri maailmaa.”

Selittääkseen tarkemmin, mitä Stoeck ja Fanchini kehittivät, he raportoivat tieteellisesti ja kokeellisesti ad hoc -suunnitellusta kaksivyöhykkeisestä etäplasman talletusjärjestelmästä, joka pystyi kasvattamaan volframikarbideja termodynaamisen tasapainon ulkopuolella tarkasti säädettyjen W‑ ja C‑esiasteiden avulla. Tutkimus korosti erityisiä olosuhteita, joissa tämä järjestelmä mahdollisti muutaman kerroksen volframisemi‑karbidi (FL‑W2C) -levyjen synteesin. Nämä levyt olivat kaksidimensionaalisia, sillä ne pystyivät säilyttämään periodisuutensa mesoskopoillisella tasolla Stranski–Krastanov‑kasvuprosessissa.

Uusi siirtymä kemiallisista menetelmistä plasmafysiikkaan

Kehittäjäpariskunta havaitsi prosessinsa hyvin varhaisessa vaiheessa, että uuden volframisemi‑karbidi nanomateriaalin rakentaminen kemiallisilla keinoilla oli mahdotonta. Tämän seurauksena he siirtyivät plasmafysiikkaan pyrkien muodostamaan yksittäisten atomien kerroksia. 

Käyttääkseen plasma‑menetelmiä nanomateriaalin kehittämisessä, kehittäjäpariskunta luopui perinteisestä reitistä, jossa erityiset uunit kuumenivat korkeisiin lämpötiloihin jotta kaasut voisivat kemiallisesti reagoida ja muodostaa aineen. He suunnittelivat uuden räätälöidyn instrumenttijärjestelmän plasman tuottamiseen, joka sisältää sähköisesti varautuneita hiukkasia. 

Uuden nanomateriaalin sovellukset

Yksi hyödyllisimmistä mahdollisista sovelluksista näille nanosheetille voisi olla radikaalisti uusi tyyppi venymämittaria. Nämä mittarit voisivat mitata laajenemista erittäin tehokkaasti ja venyä kaikessa, lentokoneiden siivistä kotitalousputkistoon.

Koska nämä materiaalit ovat sähköisesti johtavampia, niitä voidaan käyttää antureissa tai laitteissa havaitsemaan ympäristön muutoksia ja siirtymiä. Ei pelkästään että ne voisivat havaita näitä muutoksia, vaan sensorikykyjensä ansiosta ne voivat myös lähettää tietoa muille elektroniikoille. 

Kuvitellessaan yhtä mahdollisista sovelluksista, Stoeck sanoi:

“Kuvittele, että haluat tietää, muuttuuko talosi putki muotoaan ja onko se vaarassa repeytyä. Voit kiinnittää anturin putkeen, joka on valmistettu tästä kaksidimensionaalisesta nanomateriaalista, ja käyttää tietokonetta seuraamaan sen läpi kulkevaa virtaa. Jos virta nousee, se tarkoittaa, että putki laajenee ja on vaarassa repeytyä.”

Tulevaisuudessa auxettisten ominaisuuksien lisääntyvä kehitys johtaa varmasti uusiin ratkaisuihin. Tällä hetkellä yritykset kuten Michigan Scientific Corporation ja Omega ovat syvästi mukana venymämittareiden valmistuksessa ja kehityksessä. Nämä yritykset voivat alkaa hyödyntää tätä kehitystä ja sen tuottamaa nanomateriaalia edistääkseen tuote‑/ratkaisukokonaisuuksiaan. 

#1. Omega

Omega, DwyerOmega‑brändi, voi hyödyntää nanomateriaalia vahvistaakseen laajaa ja monipuolista venymämittarituotelinjaansa. Sen kalvoventymämittarit voivat mitata venymää ja rasitusta monissa sovelluksissa, mukaan lukien paine, voima, siirtymä ja venymä metalleissa, muoveissa ja komposiiteissa. Kaksinkertainen rinnakkainen venymämittarituotelinja auttaa luotettavasti mittaamaan taivutusrasitusta erilaisissa sovelluksissa. 

Omega tarjoaa myös kiertymä‑ ja leikkausvenymämittareita, lineaarisia venymämittareita, t‑rosettimittareita ja rosettimittareita. Tiukkojen toleranssien ansiosta helppo kohdistus, Omega‑mittarit tarjoavat luotettavaa suorituskykyä ja pitkäaikaista vakautta. Sen Full Bridge‑ ja Half Bridge‑venymämittarit osoittavat erinomaista lineaarisuutta laajan lämpötila‑alueen yhteensopivuudessa. 

Sen T‑Rosette‑venymämittarit voivat mitata lämpötilan, kuorman ja värähtelyn vaikutuksia komponentteihin. Ne ovat erityisen hyödyllisiä kahden suunnan jännitysten mittaamisessa, kun pääsuunnat ovat tiedossa.

Yritys on erinomaisessa asemassa joko kehittämään uuden tuotelinjan auxettisilla mittareilla tai laajentamaan olemassa olevaa linjaansa auxettisilla ominaisuuksilla. 

DwyerOmega syntyi brändinä Dwyer Instruments, Inc.:n sopimuksen hankkia OMEGA Engineering, Inc. Spectris plc (LSE:SXS) –yritykseltä noin 530 miljoonaa dollaria 19 huhtikuuta 2022. Dwyer maksoi 525 miljoonaa dollaria, mikä vastasi noin 20,4‑kertaista OMEGA:n 2021‑korjattua EBITDA‑lukemaa. Vuodelle 2021 Omega tuotti 129 miljoonaa puntaa (168 miljoonaa dollaria) myyntiä ja korjattua EBITDA‑lukemaa 19,7 miljoonaa puntaa (25,7 miljoonaa dollaria).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, yksityinen yritys Charlevoixissa, Michiganissa, Yhdysvalloissa, tunnetaan laajasta insinööripalvelu-, tuote‑ ja ratkaisukirjastostaan. Yksi alue, jossa tämä yritys voisi loistavasti hyödyntää tätä kehitystä, on sen venymämittaripalvelut. 

Yritys on erikoistunut suunnittelemaan ja valmistamaan räätälöityjä venymämittaratransduseereja, joita voidaan käyttää monissa tapauksissa, mukaan lukien ajoneuvojen jousituksen voimien, voimansiirron vääntömomenttien, ohjauskomponenttien voimien, moottorin ja moottorin kuormien sekä ajoneuvojen jarrutusmomenttien mittaaminen kentällä. 

Michiganin ratkaisut sisältävät akselivääntömomenttitransduseereja, kampiakselitransduseereja, leikkauspintransduseereja sekä tuotteita puoliaskelin venymämittaukseen, voimansiirtoakselin venymämittaukseen, aksiaalisen voiman mittaamiseen ja paljon muuta. 

Näiden ratkaisujen instrumentointisovelluksia ovat piirilevyinstrumentointi stressin seurantaan, lämpökamarioven paneelien monitorointi muodonmuutosten aikana valmistuksessa sekä täysin instrumentoidut teollisen mittakaavan voimansiirtoakselit.Nämä ratkaisut keräävät ja analysoivat myös dataa projekteista, joissa niitä käytetään. 

Olemme jo nähneet, että uusien venymämittareiden ‘sensor’‑kyvykkyydet lisäävät niiden arvoa. Tämä olisi arvokas lisäys myös Morgan Scientific Corporatelle, joka asentaa venymämittareita paikan päällä asiakkaiden kohteisiin instrumentoidakseen komponentit ja tallentaakseen dataa tukemaan erilaisia testaus‑ ja kehitystoimintoja. 

Muut merkittävät viimeaikaiset edistysaskeleet auxeteissa

Auxetit siviilirakentamisessa

International Journal of Protective Structures -lehdessä julkaistujen raporttien mukaan auxettiset materiaalit löytävät yhä enemmän käyttöä siviilitekniikkaan liittyvillä aloilla. Niitä voidaan yhdistää sementtimateriaaliin monissa muodoissa, kuten vaahtomortti‑komposiitti, kangas‑mortti‑komposiitti ja kuituvahvistettu sementtikomposiitti. 

Auxettiset vaahtokerrokset, esimerkiksi, osoittautuvat hyödyllisiksi hauraiden muuriseinien jälkiasennuksessa puristuksen alla. Ne lisäävät merkittävästi jälkijännityksen kovettumavaikutusta sementtimaisessa komposiitissa.

Auxettiset kankaat tarjoavat korkeamman leikkausjäykkyyden ja huomattavan murtumankestävyyden. Tämän seurauksena nämä komposiitit auttavat voittamaan Auxettisen Vaahto‑Mortin (AFM) alhaisen puristuslujuuden haasteet, joilla on huokoinen rakenne ja alhainen tiheys.

Auxettinen kuituvahvistettu sementtikomposiitti ratkaisee monia perinteisen sementtimateriaalin heikkouksia, kuten heikon muovautuvuuden, riittämättömän vetolujuuden, ja alhaisen murtumankestävyyden.

Auxetit kuidussa

Auxettisia kuituja voidaan käyttää monilla aloilla, mukaan lukien komposiittimateriaalit, henkilökohtaiset suojavaatteet, verhoilut, köydet, narut, kalaverkot ja paljon muuta. Näitä sovellusalueita mahdollistavat kuitujen vetolujuus, murtumankestävyys, energian absorptio, tiivistys‑ ja painaustekniikka, iskunkestävyys ja muut ominaisuudet.

Auxetit biolääketieteessä 

Auxetit voivat merkittävästi edistää biolääketieteen alasegmenttejä, kuten proteettisia ratkaisuja, kirurgisia implantteja, ompeleiden/lihasten/ligamenttien ankkureita ja jopa dilataattoreita, jotka auttavat avaamaan verisuonia sydänkirurgian aikana. 

Auxettien käyttö piezoelektriikan laadun parantamisessa

Elektrodeja voidaan rakentaa auxettisista metalleista. Nämä elektrodit voivat toimia asettamalla piezoelektrisen polymerin tai upottamalla piezoelektrisiä keramiikkasauvoja auxettiseen polymerimatriisiin. Niillä on merkittävä parannuskyky piezoelektrisen suorituskyvyn suhteen ja ne voivat kaksinkertaistaa tai jopa sadoittain lisätä laitteen herkkyyttä.

Auxettien käyttö suodattimissa

Likaisen suodattimen puhdistaminen on mahdollista auxettisen vaahdon ja hunajakennosyhdistelmien avulla. Erityisesti auxettiset lisäaineet auttavat säätämään suodattimen huokosten kokoa ja muotoa tehokkaasti. Ne myös kompensoivat paineen kertymisen vaikutuksia likaisessa suodattimessa. Auxettinen suodatin voi avata huokset molempiin suuntiin — sekä kuormituksen suuntaan että poikittaisiin suuntiin.

Auxettisten materiaalien suunnittelu tarpeen mukaan

Kuten yllä olevat segmentit osoittavat, kehittyneiden auxettien käyttö laajenee nopeasti ja leviää päivittäin uusiin sovellusalueisiin. Tämän kysynnän vastaamiseksi tutkijat ovat jo tehneet arvokkaita tutkimuksia auxettisten materiaalien suunnittelusta tarpeen mukaan.

Vuonna 2022,  tutkimus nimeltä ‘A kolmivaiheinen resepti auxettisten materiaalien suunnitteluun tarpeen mukaan‘ julkaistiin, jossa tutkijat loivat yhtenäisen kehyksen kaksidimensionaalisten täydellisten auxettien kuvaamiseksi ja mahdollisesta käytöstä uusien materiaalien suunnittelussa. 

Tutkimus nojautui vahvasti kiertävien jäykien yksiköiden ja antiferromagneettisten spini­järjestelmien väliseen luonnolliseen yhteyteen. Tutkijat tarkensivat myös ne olosuhteet, jotka edistävät epätriviaalisen löysän tilan syntymistä, mikä aiheuttaa auxettisen käyttäytymisen. 

Tutkimus esitti kolme uutta auxettien suunnittelua: eksoottinen kristalli, Penrose‑kvasi­kristalli ja pitkään toivottu isotrooppinen auxetti. Tutkimus väitti, että näiden suunnitelmien auxettisuus voi säilyä vahvana pienissä rakenteellisissa häiriöissä, mikä on vahvistettu kokeilla ja numeerisilla simulaatioilla. 

Tutkimusteoria edusti kutakin suunnitelmaa minimaalisen mallin avulla. Nämä mallit perustuivat polygoneihin ja jousiin, jotka pystyvät kuvaamaan näiden mallien olennaista kollektiivista reaktiota ulkoisiin kuormiin. 

Tutkijat toivoivat, että näitä malleja voitaisiin simuloida suoraan materiaalien ominaisuuksien testaamiseksi ilman taivutusvoimia. Toinen merkittävä saavutus tutkimustuloksissa oli sen kyky yleistää auxettisten domain‑seinä­muotojen ja luonnollisten tekstuurien käyttäytymistä, koska nämä järjestelmät ovat analogisia magneettisiin järjestelmiin.

Lopuksi tutkimukseen osallistuneet väittivät, että se on mullistava, koska se voi määrittää perussäännöt täysin uusia isotrooppisia täydellisiä auxetteja varten. He olivat myös toiveikkaita, että tutkimus voisi löytää sovelluksia 3‑D‑polyedrimaisten materiaalien tuotantoon.

Klikkaa tästä oppiaksesi nanoskaalan 3D‑tulostuksen potentiaalista.

Tulevaisuuden näkymät kehittyneille auxeteille

On nyt kiistämättä todistettu, että auxettiset rakenteet ovat siirtyneet yksittäisen suunnittelun vaiheesta räätälöityihin ratkaisuihin, jotka voivat palvella monia toimintoja. Niiden kehitys on tuonut mukanaan erilaisia 2‑D‑kuvioita, hybridirakenteita ja innovatiivisia suorituskykyyn keskittyviä dimensiollisia päivityksiä. Kehitys on myös laajentanut materiaaliluetteloa, jossa auxettisia ominaisuuksia voidaan sisällyttää. Yhteensopivien materiaalien luettelo sisältää nyt polymeerit, keraamit, metallit, biomateriaalit, sementin, tekstiilit ja sementtimäiset yhdisteet.

Monipuoliset rakenteelliset mallit ja yleistetyt valmistusmallit – molemmat ovat kehittyneet, mikä on johtanut auxettiseen käyttäytymiseen erittäin jäykissä materiaaleissa. Tutkijat ja teknologit tarkastelevat myös auxettisten materiaalien stressin uudelleenjakautumista. 

Kuitenkin auxettisten edistyminen vaatii haasteiden voittamista. Esimerkiksi suorituskyky korkean nopeuden iskussa sekä muodonmuutoksen ja epäonnistumisen mekanismit vaativat tarkempaa tutkimusta. Lisää työtä tarvitaan iskunkestävyyden toteuttamisessa. Riittävä huomio näihin näkökohtiin voisi tehdä auxeteista tieteellisen ja teknologisen ominaisuuden, jolla on valtava arvo jokapäiväisessä elämässä.

Klikkaa tästä nähdäksesi viiden yrityksen listan, jotka johtavat nanoteknologian kehitystä.