Materiaalkunde
Auxetische Materialen Hebben Veelzijdige Toepassingen. Geavanceerde Algoritmes Maken het Nu Gemakkelijker om ze te Creëren
Auxetische materialen krimpen en expanderen in de transversale richting wanneer ze aan axiale compressie en spanning worden blootgesteld. Ze reageren op een manier die tegenintuïtief is voor gewone elastische materialen en vertonen daarom een negatieve Poisson-verhouding. Deze verhouding meet de vervorming in een richting loodrecht op de aangelegde kracht. In tegenstelling tot de gebruikelijke elastische materialen, worden auxetische materialen, wanneer ze worden gecomprimeerd, dunner in de richting loodrecht op de aangelegde kracht.
Deze materialen zijn de afgelopen paar decennia populair geworden vanwege hun nuttige eigenschappen, zoals goede breuktaaiheid, hoge indringings-/impactweerstand, schuimodulus, goede energieabsorptie, synclastische vervorming en hoge transversale rek. Ze bezitten ook hoge deukenweerstandseigenschappen en superieure oppervlakte-isotropie.
Al deze eigenschappen hebben auxetische materialen verrijkt, waardoor deze materialen een brede toepasbaarheid hebben. In de volgende segmenten zullen we enkele van deze toepassingen bekijken in de gebieden van medische wetenschap en gezondheidszorg, voertuigtechniek, beschermingstechniek, kleding, enz.
Auxetische Materialen in de Gezondheidszorg en Medische Wetenschappen
Hoge-dichtheid auxetische polyetheen wordt gebruikt om kunstmatige tussenwervelschijven te ontwikkelen voor ruggenmergchirurgie. Deze schijven kunnen buigen en draaien en potentieel een verbeterde biomechanische prestatie bieden in vergelijking met traditionele schijfvervangingoplossingen. Hun auxetische eigenschappen voorkomen bulten die de omliggende zenuwuiteinden zouden kunnen beschadigen, waardoor de schijf het gedrag van een natuurlijke lumbale tussenwervelschijf perfect kan nabootsen.
Een auxetische pedikelbout werd ook voorgesteld voor het verbeteren van de biomechanische interactie tussen het omliggende bot en de bout, voornamelijk voor de wervelkolom.
Onderzoek heeft wetenschappers ook geholpen om een auxetische geometrie coronaire stent te ontwikkelen op basis van 316L medisch graad roestvrij staal. Deze stent kan uitbreiden in zowel radiale als longitudinale richting en kan worden geoptimaliseerd voor een specifieke diameter en vaat lengte om een bepaalde lumen volume te creëren, waardoor de negatieve invloed van de stent op de vaatwand wordt geminimaliseerd.
Auxetische materialen hebben zich ook bewezen nuttig te zijn in andere medische toepassingen, zoals heupimplantaten, fixatie voor lange botten, hartpatchen, nasofaryngeale watten, orthopedische inlegzolen en meer. Ze zijn ook waardevol in weefseltechniek en de fabricage van structuren en membranen voor in-vitro medische apparaten.
Klik hier om te leren hoe geavanceerde additieve techniek de weg vrijmaakt voor zachte robotica.
Auxetische Materialen in Voertuigtechniek
Recent onderzoek heeft aangetoond dat auxetische materialen en structuren een superieure ontwerpmethode kunnen bieden die de energieabsorptie-eigenschappen van traditionele dunne wandige buisbumpers en energieabsorberende dozen verbetert.
Deze structuren zouden een grotere stijfheid hebben, een energieabsorptievoordeel bij middelsnelheidsbotsingen en een langere buffer tijd voor de energieabsorptie van de botsing en het versnellings-vertraggingsproces van de inzittenden. Ze scoren ook hoog in termen van energieabsorptiecapaciteit, energieabsorptie-efficiëntie en andere prestatie-indexen.
Een van de onderzoekers in dit gebied stelde specifiek een bumper voor die bestond uit een auxetische sandwichbalkstructuur en een energieabsorberende blokcombinatie geoptimaliseerd door een multi-objectief algoritme, waardoor de voorwaartse botsbestendigheid van het voertuig werd verbeterd.
Auxetische Materialen in Beschermingstechniek
Het gebruik van auxetische structuren in beschermingstechniek is ontstaan vanwege hun hoge energieabsorptie, verbeterde indringingsdruksterkte en verhoogde schuimodulus-eigenschappen.
Het onderzoek heeft geholpen om auxetische honingraat sandwichpaneelstructuren te vinden die de versterkte betonstructuur kunnen beschermen tegen zware impact en nabijheidsbelastingsbelastingen.
Ook hadden cilindrische sandwichpanelen met auxetisch effect een sterkere explosieweerstand, en ze konden worden gebruikt om robuuste vliegtuigschalen, ruimtevaartuigen, onderzeeërs, brandstoftanks, kolenmijnopvangen en andere gebogen structuren efficiënt te ontwerpen.
Auxetische Materialen in Kledingtechniek
De transversale expansie-eigenschap van auxetische materialen onder belasting helpt bij het vormen van dubbele krommingen tijdens buigen. Deze eigenschap stelt kleding gemaakt van deze materialen in staat om zich aan te passen aan de veranderende contouren van het menselijk lichaam tijdens beweging. Onderzoek toont aan dat auxetische stof zwangerschapskleding een lagere spanning concentraat vertoont in vergelijking met traditionele tegenhangers. Het is ook comfortabel om te dragen.
Deze brede range aan toepassingsmogelijkheden heeft geresulteerd in een toegenomen vraag naar auxetische materialen. Om deze toenemende vraag te vervullen, hebben onderzoekers een driestappenrecept ontwikkeld voor het ontwerpen van auxetische materialen op maat.
Een Driestappenprocedure voor het Creëren van Auxetische Materialen op Maat
Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Universiteit van Chicago hebben gezamenlijke inspanningen geleverd om de marktintroductie van auxetische producten te versnellen.
Meer precies hebben deze onderzoekers een algoritme-instrument ontwikkeld dat helpt bij het precieze driedimensionale ontwerpen van auxetica. Volgens de co-auteur van de studie, Edwin Chan, een materiaalonderzoeker van NIST:
“We kunnen het materiaal eigenlijk optimaliseren om welke specifieke mechanische eigenschappen en gedrag te hebben die je maar wilt.”
De onderzoekers hebben de wereld gepresenteerd met een geünificeerd kader voor het beschrijven van tweedimensionale perfecte auxetica. Deze presentatie is een resultaat van een grotere realisatie dat het begrijpen en controleren van de perfecte auxetische limiet ons in staat zou stellen om realistische auxetica met een op maat gemaakte geometrische structuur rationeel te ontwerpen voor welke Poisson-verhouding negatief blijft.
Terwijl ze de grotere betekenis van hun studie toelichten, hadden de onderzoekers het volgende te zeggen:
“Onze theorie verenigt niet alleen een grote klasse van bestaande auxetica, waaronder voorgaande auxetische starre eenheidssystemen, maar stelt ons ook in staat om een grote variëteit te creëren, met nieuwe en diverse geometrieën, waaronder het enigszins ongrijpbare isotrope auxetische materiaal.”
Aangezien de onderzoekers geïnteresseerd waren in het begrijpen van het gedrag van perfecte auxetica, gebruikten ze het minimale tweedimensionale model voor roterende eenheden. De eenheden bestonden uit een reeks polygonen verbonden door veren van nul natuurlijke lengte. Elke starre eenheid had drie graden van vrijheid: twee translationele en een rotationele. Dit model hielp bij het vaststellen van het ontstaan van de auxetische floppy-modus en introduceerde elasticiteit in materialen zodat niet-ideale scenario’s ook konden worden bestudeerd.
Het resultaat van het wetenschappelijk onderzoek was in de vorm van een recept dat zou helpen bij het bouwen van perfecte auxetica. Het zou drie ingrediënten vereisen:
- Een bipartiet netwerk zou de eenheden in staat stellen om tegen te roteren ten opzichte van elkaar.
- Aanvankelijk en in rust, moet elke paar van aangrenzende polygonen positievector en de vertex tussen hen collineair zijn.
- De verhouding tussen de afstand van een polygoon tot een van zijn vertices en de afstand van zijn buurman tot dezelfde vertex moet een constante zijn in het netwerk.
De onderzoekers benadrukken dat de uniciteit van hun theorie ligt in het feit dat deze niet beperkt is tot roosters en rechtstreeks kan worden toegepast op ongeordende netwerken. Dit stelt ons in staat om de eerste isotrope perfecte auxetische materialen te bouwen. De onderzoekers zijn ook behulpzaam omdat hun theorie kan worden uitgebreid naar 3D polyhedrale materialen.
Terwijl dit onderzoek een doorbraak is, is er nog steeds onderzoek gaande naar de haalbaarheid van auxetische materialen als versterking, vooral voor belastingsdragende toepassingen. Overmatige vervormingen zijn vereist om de voordelen afgeleid van auxeticiteit te initiëren. Deze vervormingen kunnen de dienstbaarheidsgrenzen overschrijden die zijn gespecificeerd voor structurele elementen bij statische belasting. In dit verband hebben onderzoekers gewezen op de noodzaak van op maat gemaakte ontwerpen die zowel sterkte als stijfheidseisen vervullen.
Op het gebied van biomedische toepassingen ontstaat de behoefte aan 3D-auxetica, die alleen kan worden bereikt door additieve fabricagetechnieken. Deze technieken moeten worden verbeterd om de langetermijnprestaties van medische apparaten te garanderen. Het geavanceerde algoritme-gebaseerde proces voor het creëren van auxetica kan nuttig zijn in deze gevallen, aangezien de meeste additieve technologieën intrinsiek anisotrope resultaten opleveren vanwege het laag-voor-laag-proces, wat de mechanische prestaties van de oplossingen kan beïnvloeden.
Terwijl deze uitdagingen blijven bestaan, zijn onderzoekers hoopvol dat sommige van de toekomstige trends, als ze succesvol worden opgeschaald, kunnen leiden tot een grotere adoptie van auxetica. Dergelijke trends omvatten het creëren van synergieën tussen 4D-printen en auxetische geometrieën, de fabricage van vormgeheugene materialen en mechanismen, enz.
Auxetica kan ook meer worden gebruikt in biohybride materialen, waar een auxetische scaffold gekoloniseerd door cellen kan leiden tot meer autonome actuatoren. Volgens onderzoekers zijn deze materialen in staat om de huidige “slimme”, actieve of multifunctionele materialen en structuren te overtreffen.
Een van de belangrijkste voorbeelden van het gebruik van biohybriden is in de vorm van microbots die zijn uitgerust met auxetische chassis en mechanismen die worden bediend door levende cellen. Deze oplossingen, vooral de elektrische stimuli-geactiveerde cardiomyocyten of musculoskeletale cellen, kunnen in de toekomst worden gebruikt als chirurgische actuatoren.
Al met al bieden auxetica ons een mijnenveld van kansen. Alles wat nodig is, is meer onderzoek en middelen om op te schalen en haalbare oplossingen te bieden die een lange tijd meegaan.
