Van de luchtvaart tot thuisapplicaties, geavanceerde auxetische gauges klaar voor grootschalig gebruik

Auxetische materialen verschillen van klassieke materialen doordat ze een negatieve Poissonverhouding vertonen. Met andere woorden, onder de trekspanning die in de longitudinale richting wordt aangelegd, zetten auxetica zich uit in de loodrechte transversale richting. 

Wetenschappers blijven zoeken naar auxetische eigenschappen in materialen. Recentelijk heeft Noah Stocek, een PhD‑student die samenwerkt met Western physicist Giovanni Fanchini, heeft ontwikkeld een dergelijk nanomateriaal. 

Tweedimensionale auxetische nanosheets

Beide wetenschappers werkten bij Interface Science Western om 2‑D nanosheets van wolfraamsemi‑carbide, ook bekend als W2C, te ontwikkelen. Dit zijn chemische verbindingen die gelijke delen wolfraam‑ en koolstofatomen bevatten. In overeenstemming met de eigenschappen van auxetische materialen zetten deze nanomaterialen zich loodrecht op de aangelegde kracht uit wanneer ze in één richting worden uitgerekt. 

De ontwikkeling is belangrijk omdat het pas het tweede materiaal is dat aanzienlijk uitzet op een manier die tegenovergesteld is aan klassieke materialen. Voorheen was er slechts één gemeld materiaal dat tegenintuïtief met 10 % per eenheid lengte kon uitzetten. Het huidige nanomateriaal, de wolfraamsemi‑carbide nanosheet, kan met 40 % uitzetten. Het is een nieuw wereldrecord. Terwijl hij de prestatie van deze ontwikkeling uitlegt, zei Stoeck: 

“In 2018 voorspelden theoretici dat het dit gedrag op een uitstekend niveau zou kunnen vertonen, maar niemand was erin geslaagd het te ontwikkelen, ondanks uitgebreide pogingen van onderzoeksgroepen over de hele wereld.”

Om in meer detail uit te leggen wat Stoeck en Fanchini hebben ontwikkeld, rapporteerden zij wetenschappelijk en experimenteel over een ad‑hoc ontworpen dual‑zone remote‑plasma‑depositiesysteem dat wolfraamcarbiden kon laten groeien buiten thermodynamisch evenwicht met zorgvuldig afgestelde verhoudingen van W‑ en C‑precursoren. Het onderzoek belichtte de specifieke omstandigheden waaronder dit systeem de synthese van vlokken van enkele‑laagige wolfraamsemicarbide (FL‑W2C) mogelijk maakte. Deze vlokken waren tweedimensionaal van aard, omdat ze hun periodiciteit op mesoscopisch niveau konden behouden in een Stranski‑Krastanov‑groeiproces.

Een nieuwe verschuiving van chemische methoden naar plasmafysica

Het ontwikkelaarduo had in een zeer vroeg stadium van hun proces vastgesteld dat het onmogelijk was om een nieuw wolfraamsemi‑carbide nanomateriaal te construeren met chemische middelen. Als gevolg hiervan schakelden ze over op plasmafysica, met als doel lagen van enkele atomen te vormen. 

Om de ontwikkeling van het nanomateriaal uit te voeren met behulp van plasmamethoden, verliet het duo de conventionele route van speciale ovens waarin gassen bij hoge temperaturen konden worden verwarmd om chemisch te reageren en de stof te vormen. Ze ontwierpen een nieuw, op maat gemaakt instrumentensysteem voor het produceren van plasma, dat elektrisch geladen deeltjes bevat. 

Toepassingen van het nieuw ontwikkelde nanomateriaal

Een van de meest bruikbare potentiële toepassingen van deze nanosheets zou een radicaal nieuw type rekstrook kunnen zijn. Deze rekstroken kunnen uitzetting op een zeer effectieve manier meten en zich uitrekken in alles, van vliegtuigvleugels tot huishoudelijke leidingen.

Aangezien deze materialen meer elektrisch geleidend zijn, kunnen ze worden gebruikt in sensoren of apparaten om veranderingen en verschuivingen in de omgeving te detecteren. Ze kunnen niet alleen deze veranderingen waarnemen, maar dankzij hun ‘sensor’-mogelijkheden kunnen ze ook informatie naar andere elektronica verzenden. 

Stel je voor dat je wilt weten of een pijp in je huis vervormt en op een gegeven moment kan barsten. Je kunt een sensor op de pijp bevestigen die van dit tweedimensionale nanomateriaal is gemaakt en vervolgens een computer gebruiken om de stroom die erdoor loopt te monitoren. Als de stroom stijgt, betekent dit dat de pijp uitzet en het risico op barsten bestaat. 
In de toekomst zal verdere ontwikkeling van de auxetische eigenschappen van een materiaal zeker tot nieuwe oplossingen leiden. Voor nu zijn bedrijven zoals Michigan Scientific Corporation en Omega sterk betrokken bij de productie en ontwikkeling van rekstroken. Deze bedrijven zouden deze ontwikkeling en het geproduceerde nanomateriaal kunnen benutten om hun product‑/oplossingsportfolio uit te breiden. 

#1. Omega

Omega, een DwyerOmega‑merk, kan het nanomateriaal benutten om zijn robuuste en diverse productlijn van rekstroken verder uit te breiden. Zijn diafragmarekstroken kunnen rek en spanning meten in verschillende toepassingen, waaronder druk, kracht, verplaatsing en rek in metalen, kunststoffen en composieten. De dual‑parallel rekstrookproductlijn helpt betrouwbaar buigspanning te meten in diverse toepassingen. 

Omega heeft ook torsie‑ en schuifrekstroken, lineaire rekstroken, T‑rosette‑rekstroken en rosette‑rekstroken. Met strakke toleranties voor eenvoudigere uitlijning bieden de rekstroken van Omega betrouwbare prestaties en langdurige stabiliteit. Zijn Full‑Bridge‑ en Half‑Bridge‑rekstroken tonen uitstekende lineariteit en zijn compatibel met een breed temperatuurbereik. 

Zijn T‑Rosette‑rekstroken kunnen de effecten van temperatuur, belasting en vibratie op componenten meten. Ze zijn bijzonder nuttig voor het meten van biaxiale spanningen met bekende hoofdrichtingen.

Het bedrijf is uitstekend gepositioneerd om ofwel een nieuwe productlijn op basis van auxetische rekstroken te ontwikkelen, of zijn bestaande productlijn uit te breiden met auxetische eigenschappen. 

DwyerOmega ontstond als merk na Dwyer Instruments, Inc., die overeenstemming bereikte om OMEGA Engineering, Inc. over te nemen van Spectris plc (LSE:SXS) voor ongeveer $530 miljoen op 19 april 2022. Dwyer betaalde US$525 miljoen tegen een waardering van ongeveer 20,4 × de aangepaste EBITDA van Omega over 2021. Voor het boekjaar 2021 genereerde Omega een omzet van £129 miljoen ($168 miljoen) en een aangepaste EBITDA van £19,7 miljoen ($25,7 miljoen).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, een privaat bedrijf gevestigd in Charlevoix, Michigan, Verenigde Staten, staat bekend om het aanbieden van een reeks engineering‑diensten, producten en oplossingen. Een gebied waar dit bedrijf deze ontwikkeling briljant zou kunnen benutten, is zijn rekstrook‑diensten. 

Het bedrijf is gespecialiseerd in het ontwerpen en vervaardigen van op maat gemaakte rekstrook‑transducers, die kunnen worden gebruikt in diverse toepassingen, waaronder het meten van ophangingskrachten van voertuigen, aandrijftorques, stuurcomponentkrachten, motor‑ en motorbelastingen, en remtorques op voertuigen in het veld. 

De oplossingen van Michigan omvatten as‑torque‑transducers, krukas‑transducers, schuifpen‑transducers en producten voor halfas‑rekmeting, aandrijfas‑rekmeting, axiale krachtsmeting en meer. 

De instrumentatietoepassingen van deze oplossingen omvatten printplaatinstrumentatie voor het monitoren van spanning, deurpanelen van thermische kamers die tijdens de productie op vervorming worden gecontroleerd, en volledig geinstrumenteerde industriële aandrijfasen. Deze oplossingen verzamelen en analyseren ook gegevens die uit de projecten waarin ze worden ingezet, worden verkregen. 

We hebben al gezien dat de ‘sensor’-mogelijkheden van nieuw ontwikkelde rekstroken hun waarde verhogen. Dit zou ook een meerwaarde zijn voor Morgan Scientific Corporation, dat zich bezighoudt met het ter plaatse installeren van rekstroken bij klanten om de componenten van de klant te instrumenteren en gegevens vast te leggen ter ondersteuning van diverse test‑ en ontwikkelingsactiviteiten. 

Andere belangrijke recente ontwikkelingen in auxetica

Auxetica in civiele constructie

Volgens rapporten gepubliceerd in het International Journal of Protective Structures vinden auxetische materialen steeds meer toepassing in vakgebieden gerelateerd aan civiele techniek. Ze kunnen worden gecombineerd met cementachtig materiaal in verschillende vormen, waaronder schuim‑mortel‑composiet, stof‑mortel‑composiet en vezelversterkte cement‑composiet. 

Auxetische schuimlagen blijken bijvoorbeeld nuttig bij het retrofitten van broze metselwanden onder compressie. Ze verhogen het post‑yield rek‑verhardingseffect in de cementachtige composiet aanzienlijk.

Auxetische stoffen bieden een hogere schuifstijfheid en opmerkelijke breuktaaiheid. Daardoor zijn deze composieten nuttig om de uitdagingen van de lage compressieve sterkte van Auxetisch Schuimmortel (AFM), dat een poreuze structuur en lage dichtheid heeft, te overwinnen.

De auxetische vezelversterkte cementcomposiet lost veel van de nadelen van conventioneel cementachtig materiaal op, waaronder slechte ductiliteit, onvoldoende treksterkte en lage breuktaaiheid.

Auxetica in vezel

Auxetische vezels kunnen worden gebruikt in diverse gebieden, waaronder composietmaterialen, persoonlijke beschermende kleding, bekleding, touwen, koorden, visnetten en nog veel meer. De eigenschappen die auxetische vezels deze toepassingsgebieden geven, omvatten weerstand tegen uittrekken van vezels, breuktaaiheid van vezels, energieabsorptie, densificatie‑ en indringingsweerstand, impactweerstand en meer.

Auxetica in de biomedische sector 

Auxetica kunnen een aanzienlijke bijdrage leveren aan de biomedische subsegmenten van protheses, chirurgische implantaten, hechtings‑/spier‑/ligamentankers en zelfs dilatatoren die helpen bloedvaten tijdens hartoperaties te openen. 

Auxetica ter verbetering van de kwaliteit van piezo‑elektrische materialen

Elektroden kunnen worden vervaardigd uit auxetische metalen. Deze elektroden kunnen werken door een piezo‑elektrisch polymeer te sandwicheren of piezo‑elektrische keramische staafjes in een auxetische polymeermatrix te embedden. Ze hebben een aanzienlijke verbeteringscapaciteit voor de piezo‑elektrische prestaties en kunnen de gevoeligheid van een apparaat met minstens een factor twee en tot zelfs honderdvoud verhogen.

Gebruik van auxetica in filters

Het reinigen van vervuilde filters is haalbaar met behulp van auxetisch schuim en honingraatfilters. Specifiek helpen de auxetische inclusies de filterporiën aan te passen naar een effectieve grootte en vorm. Ze compenseren ook de effecten van drukopbouw in een vervuilde filter. Een auxetisch filter kan de poriën in beide richtingen openen — langs en loodrecht op de richting van de trekbelasting.

Ontwerpen van op aanvraag auxetische materialen

Zoals de bovenstaande segmenten aantonen, breidt het gebruik van geavanceerde auxetica zich snel uit en verspreidt het zich dagelijks naar nieuwe toepassingsgebieden. Om aan deze vraag te voldoen, hebben onderzoekers al waardevolle studies uitgevoerd over het ontwerpen van auxetische materialen op aanvraag. 

In 2022, een research titled ‘A three step recipe for designing auxetic materials on demand’ verscheen, waarin de onderzoekers een eenduidig kader opstelden om bidimensionale perfecte auxetica te beschrijven met potentieel gebruik bij het ontwerpen van nieuwe materialen. 

Het onderzoek leunde sterk op de natuurlijke verbinding tussen roterende rigide eenheden en antiferromagnetische spinsystemen. De onderzoekers werkten ook de voorwaarden uit die de opkomst van een niet‑triviale floppy‑modus die het auxetische gedrag veroorzaakt, faciliteren. 

Het onderzoek wees op drie ontwerpen voor nieuwe auxetica: een exotisch kristal, een Penrose‑quasicristal, en een lang begeerde isotrope auxetica. Het onderzoek stelde dat de auxetischheid van deze ontwerpen robuust kan blijven onder kleine structurele verstoringen, gevalideerd door experimenten en numerieke simulaties. 

De onderzoekstheorie stelde elk ontwerp voor met een minimaal model. Deze modellen waren gebaseerd op polygonen en veren die de essentiële collectieve respons van deze modellen op externe belastingen konden vastleggen. 

De onderzoekers hoopten dat deze modellen direct gesimuleerd konden worden om de eigenschappen van materialen te testen, terwijl buigkrachten werden genegeerd. Een andere belangrijke prestatie van de onderzoeksresultaten was hun vermogen om het gedrag van auxetische domeinwanden en natuurlijke texturen die deze systemen hebben, te generaliseren dankzij hun analogie met magnetische systemen.

Ten slotte beweerden de betrokken onderzoekers dat het baanbrekend was omdat het de basisregels kon vaststellen voor het creëren van nog nooit eerder geziene isotrope perfecte auxetica. Ze waren ook hoopvol dat het onderzoek toegepast zou kunnen worden bij de productie van 3D‑polyhedrale materialen.

Klik hier om meer te leren over het potentieel van nanoschaal‑3D‑printen.

De weg vooruit voor geavanceerde auxetica

Het is nu onomstotelijk bewezen dat auxetische structuren verder zijn gegaan van een enkel ontwerp naar op maat gemaakte oplossingen die een reeks functies kunnen vervullen. Hun evolutie heeft variërende elementaire 2D‑patronen, hybride structuren en innovatieve prestatiegerichte dimensionale upgrades gekend. De evolutie heeft ook een uitbreiding gezien in de lijst van materialen die auxetische eigenschappen kunnen bevatten. De lijst van compatibele materialen omvat nu polymeren, keramiek, metalen, biomaterialen, cement, textiel en cementachtige verbindingen.

Gediversifieerde structurele modellen en gegeneraliseerde fabricagemodellen — beide hebben verbeteringen ondergaan, wat heeft geresulteerd in het auxetische gedrag van materialen met hoge rigiditeit. Onderzoekers en technici onderzoeken ook de stress‑herverdelende eigenschappen van auxetische materialen. 

Echter, om auxetica verder te ontwikkelen, moeten enkele uitdagingen worden overwonnen. Bijvoorbeeld, de prestaties onder hoge‑snelheidsimpact en de mechanismen van vervorming en falen vereisen meer aandacht. Er is meer werk nodig aan de implementatie van impactweerstand. Voldoende aandacht voor deze aspecten zou auxetica tot een wetenschappelijke en technologische eigenschap met enorme waarde in het dagelijks leven kunnen maken. 

Klik hier voor de lijst van vijf bedrijven die vooroplopen in de ontwikkeling van nanotechnologie.