Dari Aplikasi Dirgantara hingga Rumah Tangga, Gauge Auxetik Tingkat Lanjut Siap Digunakan Secara Luas

Material auxetik berbeda dari material klasik karena menunjukkan rasio Poisson negatif. Dengan kata lain, di bawah gaya tarik yang diterapkan pada arah longitudinal, auxetik mengembang pada arah transversal yang tegak lurus. 

Para ilmuwan terus mencari sifat auxetik dalam material. Baru-baru ini, Noah Stocek, seorang mahasiswa PhD yang berkolaborasi dengan fisikawan Barat Giovanni Fanchini, telah mengembangkan satu nanomaterial semacam itu. 

Nanosheet Auxetik Dua Dimensi

Kedua ilmuwan bekerja di Interface Science Western untuk mengembangkan nanosheet 2-D dari tungsten semi-karbida, yang juga dikenal sebagai W2C. Ini adalah senyawa kimia yang mengandung bagian yang sama dari atom tungsten dan karbon. Sesuai dengan sifat material auxetik, nanomaterial ini mengembang secara tegak lurus terhadap gaya yang diterapkan ketika ditarik dalam satu arah. 

Pengembangan ini signifikan karena hanya merupakan material kedua yang dapat mengembang secara substansial dengan cara yang berlawanan dengan material klasik. Sebelumnya, hanya ada satu material yang dilaporkan dapat mengembang sebesar 10 persen per satuan panjang secara kontradiktif. Nanomaterial saat ini, nanosheet tungsten semi-karbida, dapat mengembang sebesar 40 persen. Ini merupakan rekor dunia baru. Saat menjelaskan pencapaian pengembangan ini, Stoeck berkata: 

“Pada tahun 2018, para teoritis memprediksi bahwa material ini mungkin menunjukkan perilaku tersebut pada tingkat yang sangat baik, namun tidak ada yang berhasil mengembangkannya, meskipun telah dilakukan upaya luas oleh kelompok riset di seluruh dunia.”

Untuk menjelaskan lebih detail apa yang dikembangkan Stoeck dan Fanchini, mereka melaporkan secara ilmiah dan eksperimental tentang sistem deposisi plasma remote zona ganda yang dirancang khusus yang dapat menumbuhkan karbida tungsten di luar keseimbangan termodinamika dengan rasio prekursor W dan C yang terkontrol dengan baik. Penelitian menyoroti kondisi spesifik di mana sistem ini memungkinkan sintesis serpihan tungsten semikarbid berlapis sedikit (FL-W2C). Serpihan ini bersifat dua dimensi, karena mereka dapat mempertahankan periodisitasnya pada tingkat mesoskopik dalam proses pertumbuhan Stranski–Krastanov.

Peralihan Baru dari Metode Kimia ke Fisika Plasma

Duo pengembang tersebut mengidentifikasi pada tahap awal proses mereka bahwa tidak mungkin membangun nanomaterial tungsten semi-karbida baru menggunakan metode kimia. Akibatnya, mereka beralih ke fisika plasma, dengan tujuan membentuk lapisan atom tunggal. 

Untuk melaksanakan pengembangan nanomaterial dengan memanfaatkan metode plasma, duo pengembang tersebut meninggalkan jalur konvensional menggunakan tungku khusus di mana gas dapat dipanaskan pada suhu tinggi untuk bereaksi secara kimia dan membentuk zat. Mereka merancang sistem instrumen khusus baru untuk menghasilkan plasma, yang berisi partikel bermuatan listrik. 

Aplikasi Nanomaterial Baru yang Dikembangkan

Salah satu aplikasi potensial yang paling berguna dari nanosheet ini dapat berupa jenis gauge regangan yang benar-benar baru. Gauge ini dapat mengukur ekspansi secara sangat efektif dan meregang pada segala hal, mulai dari sayap pesawat hingga pipa rumah tangga.

Karena material ini lebih konduktif secara listrik, mereka dapat digunakan dalam sensor atau perangkat untuk mendeteksi perubahan dan pergeseran di lingkungan. Tidak hanya dapat mendeteksi perubahan, tetapi berkat kemampuan ‘sensor’ mereka, mereka juga dapat mengirim informasi ke elektronik lain. 

Saat menjelaskan salah satu aplikasi yang mungkin, Stoeck berkata:

“Bayangkan jika Anda ingin mengetahui apakah sebuah pipa di rumah Anda mengalami deformasi dan berisiko pecah pada suatu saat. Anda dapat menempelkan sensor pada pipa yang terbuat dari nanomaterial dua dimensi ini dan kemudian menggunakan komputer untuk memantau arus yang mengalir melaluinya. Jika arus meningkat, itu berarti pipa sedang mengembang dan berisiko pecah.”

Di masa depan, pengembangan lebih lanjut pada sifat auxetik suatu material pasti akan menghasilkan solusi baru. Untuk saat ini, perusahaan seperti Michigan Scientific Corporation dan Omega sangat terlibat dalam manufaktur dan pengembangan gauge regangan. Perusahaan-perusahaan ini dapat mulai memanfaatkan pengembangan ini dan nanomaterial yang dihasilkan sebagai hasil untuk meningkatkan portofolio produk/solusi mereka. 

#1. Omega

Omega, merek DwyerOmega, dapat memanfaatkan nanomaterial untuk lebih meningkatkan lini produk gauge regangan yang kuat dan beragam. Gauge regangan diafragma mereka dapat mengukur regangan dan stres dalam berbagai aplikasi, termasuk tekanan, gaya, perpindahan, dan regangan pada logam, plastik, dan komposit. Lini produk gauge regangan paralel ganda membantu mengukur stres tekukan secara andal dalam berbagai aplikasi. 

Omega juga memiliki gauge regangan torsi dan geser, gauge regangan linear, gauge t-rosette, dan gauge rosette. Dengan toleransi ketat untuk penyelarasan yang lebih mudah, gauge Omega menawarkan kinerja yang dapat diandalkan dan stabilitas jangka panjang. Gauge Full Bridge dan Half Bridge mereka menunjukkan linearitas yang sangat baik serta kompatibilitas dengan rentang suhu yang luas. 

Gauge T-Rosette mereka dapat mengukur efek suhu, beban, dan getaran pada komponen. Mereka sangat berguna dalam mengukur stres biaxial dengan arah utama yang diketahui.

Perusahaan ini berada pada posisi yang tepat untuk mengembangkan lini produk baru berbasis gauge auxetik atau memperluas lini produk yang ada dengan sifat auxetik.

DwyerOmega muncul sebagai merek setelah Dwyer Instruments, Inc. setuju untuk mengakuisisi OMEGA Engineering, Inc. dari Spectris plc (LSE:SXS) dengan nilai sekitar $530 juta pada 19 April 2022. Dwyer membayar US$525 juta dengan valuasi sekitar 20,4 kali EBITDA Omega tahun 2021 yang disesuaikan. Untuk tahun keuangan 2021, Omega menghasilkan penjualan sebesar £129 juta ($168 juta) dan EBITDA yang disesuaikan sebesar £19,7 juta ($25,7 juta).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, perusahaan swasta yang berbasis di Charlevoix, Michigan, Amerika Serikat, dikenal karena menawarkan berbagai layanan teknik, produk, dan solusi. Salah satu bidang di mana perusahaan ini dapat memanfaatkan pengembangan ini secara brilian adalah layanan gauge regangan mereka. 

Perusahaan ini merupakan spesialis dalam merancang dan membuat transduser gauge regangan khusus, yang dapat digunakan dalam berbagai kasus, termasuk mengukur gaya suspensi kendaraan, torsi powertrain, gaya komponen kemudi, beban mesin dan motor, serta torsi pengereman pada kendaraan di lapangan. 

Solusi Michigan mencakup transduser torsi poros, transduser poros engkol, transduser pin geser, serta produk untuk pengukuran gauge regangan setengah poros, poros penggerak, pengukuran gaya aksial, dan lainnya. 

Aplikasi instrumentasi solusi ini meliputi instrumentasi papan sirkuit untuk memantau stres, panel pintu ruang termal yang dipantau untuk deformasi selama manufaktur, dan poros penggerak berukuran industri yang sepenuhnya terinstrumentasi. Solusi ini juga mengumpulkan dan menganalisis data yang diperoleh dari proyek-proyek tempat mereka diterapkan. 

Kami telah melihat bahwa kemampuan ‘sensor’ dari gauge regangan yang baru dikembangkan menambah nilai mereka. Ini juga akan menjadi nilai tambah bagi Morgan Scientific Corporation, yang bergerak dalam pemasangan gauge regangan di lokasi pelanggan untuk menginstrumentasi komponen pelanggan dan merekam data guna mendukung berbagai aktivitas pengujian dan pengembangan. 

Kemajuan Terkini Signifikan Lainnya dalam Auxetik

Auxetik dalam Konstruksi Sipil

Menurut laporan yang dipublikasikan dalam International Journal of Protective Structures, material auxetik semakin banyak digunakan dalam bidang yang terkait dengan teknik sipil. Mereka dapat dikombinasikan dengan material semen dalam berbagai bentuk, termasuk komposit busa-mortar, komposit kain-mortar, dan komposit semen yang diperkuat serat. 

Lapisan busa auxetik, misalnya, terbukti berguna dalam retrofitting dinding batu bata rapuh di bawah kompresi. Mereka secara signifikan meningkatkan efek pengerasan regangan pasca-yield dalam komposit semen.

Kain auxetik menawarkan kekakuan geser yang lebih tinggi dan ketangguhan retak yang signifikan. Akibatnya, komposit ini berguna untuk mengatasi tantangan yang ditimbulkan oleh kekuatan kompresi rendah dari Auxetic Foam Mortar (AFM), yang memiliki struktur berpori dan densitas rendah.

Komposit semen yang diperkuat serat auxetik menyelesaikan banyak kelemahan material semen konvensional, termasuk duktibilitas yang buruk, kekuatan tarik yang tidak memadai, dan ketangguhan retak yang rendah.

Auxetik dalam Serat

Serat auxetik dapat digunakan dalam berbagai bidang, termasuk material komposit, pakaian pelindung pribadi, pelapis, tali, kord, jaring ikan, dan banyak lagi. Properti yang diberikan serat auxetik pada bidang aplikasi ini meliputi resistensi tarik serat, ketangguhan retak serat, penyerapan energi, densifikasi dan resistensi indentasi, ketahanan benturan, dan lainnya.

Auxetik dalam Biomedis 

Auxetik dapat berkontribusi secara signifikan pada subsegmen biomedis prostetik, implan bedah, jangkar jahitan/otot/ligamen, dan bahkan dilator yang membantu membuka pembuluh darah selama operasi jantung. 

Auxetik dalam Meningkatkan Kualitas Piezoelektrik

Elektroda dapat dibangun dari logam auxetik. Elektroda ini dapat berfungsi dengan menyandwich polimer piezoelektrik atau menyematkan batang keramik piezoelektrik dalam matriks polimer auxetik. Mereka memiliki kapasitas peningkatan yang signifikan untuk kinerja piezoelektrik dan dapat meningkatkan sensitivitas perangkat setidaknya dua kali lipat dan hingga seratus kali lipat.

Penggunaan Auxetik dalam Filter

Pembersihan filter yang tersumbat dapat dilakukan menggunakan busa auxetik dan filter sarang lebah. Secara khusus, inklusi auxetik membantu menyesuaikan pori filter ke ukuran dan bentuk yang efektif. Mereka juga mengkompensasi efek penumpukan tekanan dalam filter yang tersumbat. Filter auxetik dapat membuka pori dalam kedua arah—sepanjang dan tegak lurus terhadap arah beban tarik.

Merancang Material Auxetik Sesuai Permintaan

Seperti yang ditunjukkan oleh segmen di atas, penggunaan auxetik tingkat lanjut berkembang pesat dan menyebar setiap hari ke area aplikasi baru. Untuk memenuhi permintaan ini, peneliti telah melakukan studi berharga tentang merancang material auxetik sesuai permintaan. 

Pada tahun 2022,  Resep tiga langkah untuk merancang material auxetik sesuai permintaan dipublikasikan di mana para peneliti menetapkan kerangka kerja terpadu untuk menggambarkan auxetik sempurna dua dimensi dengan potensi penggunaan dalam desain material baru.

Penelitian ini sangat mengandalkan hubungan alami antara unit kaku berputar dan sistem spin antiferomagnetik. Para peneliti juga menjelaskan kondisi yang memfasilitasi munculnya mode floppy non-trivial yang menyebabkan perilaku auxetik. 

Penelitian ini mengarahkan pada tiga desain untuk auxetik baru: kristal eksotik, kuasiskristal Penrose, dan auxetik isotropik yang lama diinginkan. Penelitian mengklaim bahwa auxetisitas desain ini dapat tetap kuat di bawah gangguan struktural kecil, yang divalidasi oleh eksperimen dan simulasi numerik.

Teori penelitian menggambarkan setiap desain dengan model minimal. Model-model ini didasarkan pada poligon dan pegas yang dapat menangkap respons kolektif esensial model tersebut terhadap beban eksternal. 

Para peneliti berharap model-model ini dapat disimulasikan secara langsung untuk menguji sifat material sambil mengabaikan gaya tekuk. Pencapaian signifikan lain dari hasil penelitian ini adalah kemampuannya untuk menggeneralisasi perilaku dinding domain auxetik dan tekstur alami yang dimiliki sistem ini karena analoginya dengan sistem magnetik.

Akhirnya, para peneliti yang terlibat mengklaim bahwa ini merupakan terobosan karena dapat menetapkan aturan dasar untuk menciptakan auxetik sempurna isotropik yang belum pernah dilihat sebelumnya. Mereka juga berharap penelitian ini dapat diterapkan dalam produksi material polihedral 3D.

Klik di sini untuk mempelajari potensi pencetakan 3D skala nano.

Jalan ke Depan untuk Auxetik Tingkat Lanjut

Kini telah terbukti tanpa keraguan bahwa struktur auxetik telah melampaui fase desain tunggal menjadi solusi yang disesuaikan yang dapat melayani berbagai fungsi. Evolusinya telah menyaksikan pola elementer 2D yang beragam, struktur hibrida, dan peningkatan dimensi inovatif yang berorientasi pada kinerja. Evolusi ini juga menyaksikan perluasan daftar material yang mungkin memiliki fitur auxetik tertanam di dalamnya. Daftar material yang kompatibel kini mencakup polimer, keramik, logam, biomaterial, semen, tekstil, dan senyawa semen.

Model struktural yang beragam dan model fabrikasi umum – keduanya telah mengalami perbaikan, menghasilkan perilaku auxetik pada material dengan kekakuan tinggi. Peneliti dan teknolog juga meneliti sifat redistribusi stres pada material auxetik. 

Namun, agar auxetik menjadi lebih maju, beberapa tantangan harus diatasi. Misalnya, kinerja di bawah dampak berkecepatan tinggi serta mekanisme deformasi dan kegagalan memerlukan kajian lebih mendalam. Diperlukan lebih banyak kerja pada penerapan ketahanan terhadap dampak. Perhatian yang memadai terhadap aspek-aspek ini dapat menjadikan auxetik sebagai fitur ilmiah dan teknologi dengan nilai luar biasa dalam kehidupan sehari-hari.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan terkemuka dalam pengembangan nanoteknologi.